(57)【要約】【課題】高出力かつ低消費電力で高速変調が可能な空間光伝送用半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】  活性層と、活性層を挟むガイド層と、活性層とガイド層を挟むクラッド層がＧaＡs基板上に形成された半導体レーザ素子２２０と、半導体レーザ素子２２０を覆うモールド樹脂部(２２３,２２４)とを備える。上記半導体レーザ素子２２０の活性層は、ＩnＧaＡsである井戸層とその井戸層を挟むバリア層で構成された量子井戸構造をしている。また、半導体レーザ素子２２０は、樹脂モールドする前のチップ状態で２５℃における発振波長を８６８ｎｍ(８５７ｎｍ以上かつ８７１ｎｍ以下の範囲内)とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、上記活性層を挟むガイド層と、上記活性層および上記ガイド層を挟むクラッド層がＧaＡs基板上に形成された半導体レーザ素子と、
上記半導体レーザ素子の少なくとも一部を覆うモールド樹脂部と
を備え、
上記半導体レーザ素子の上記活性層は、ＩnＧaＡsである井戸層と上記井戸層を挟むバリア層で構成された量子井戸構造をしており、
上記半導体レーザ素子は、樹脂モールドする前のチップ状態で２５℃における発振波長が８５７ｎｍ以上かつ８７１ｎｍ以下であることを特徴とする空間光伝送用半導体レーザ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の空間光伝送用半導体レーザ装置において、
上記半導体レーザ素子は、樹脂モールドされた状態で使用環境温度における発振波長が８５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下であることを特徴とする空間光伝送用半導体レーザ装置。
【請求項３】
請求項１に記載の空間光伝送用半導体レーザ装置において、
上記井戸層がＩn１−ｘ１Ｇaｘ１Ａs(０.８５≦ｘ１＜１)であり、
上記量子井戸構造における井戸幅ｄが４ｎｍ≦ｄ≦８ｎｍであることを特徴とする空間光伝送用半導体レーザ装置。
【請求項４】
請求項１に記載の空間光伝送用半導体レーザ装置において、
上記井戸層がＩn１−ｘ１Ｇaｘ１Ａs(０.９≦ｘ１≦０.９６)であり、
上記量子井戸構造における井戸幅ｄが４ｎｍ≦ｄ≦６ｎｍであることを特徴とする空間光伝送用半導体レーザ装置。
【請求項５】
請求項１に記載の空間光伝送用半導体レーザ装置において、
上記量子井戸構造における井戸数が４以下であることを特徴とする空間光伝送用半導体レーザ装置。
【請求項６】
請求項１に記載の空間光伝送用半導体レーザ装置において、
上記バリア層がＧaｘ２Ｉn１−ｘ２Ａs１−ｙＰｙであり、
上記バリア層のＧa組成ｘ２とＰ組成ｙが、
ｙ≦−２.１７ｘ２＋２.５
ｙ≧−１.６４ｘ２＋１.６３
ｙ≦−０.２７ｘ２＋０.８８
ｘ２≧０.６５
の条件を満たすことを特徴とする空間光伝送用半導体レーザ装置。
【請求項７】
請求項１に記載の空間光伝送用半導体レーザ装置において、
上記バリア層がＡlｘ３Ｇa１−ｘ３Ａs(０.１≦ｘ３≦０.３)であることを特徴とする空間光伝送用半導体レーザ装置。
【請求項８】
請求項１に記載の空間光伝送用半導体レーザ装置において、
上記ガイド層がＡlｘ４Ｇa１−ｘ４Ａs(ｘ４≧０.３)であることを特徴とする空間光伝送用半導体レーザ装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１つに記載の空間光伝送用半導体レーザ装置を備えたことを特徴とする空間光伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、空間光伝送用半導体レーザ装置および空間光伝送システムに関し、詳しくは、赤外線を利用した光伝送に用いられる空間光伝送用半導体レーザ装置や、その空間光伝送用半導体レーザ装置を備えた空間光伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩｒＤＡ(Infrared Data Association；国際赤外線データ通信協会)規格に代表される赤外線を用いた空間光伝送は、現在広く用いられている。このＩｒＤＡ規格に準ずる光通信機能を夫々備えた携帯端末とパーソナルコンピュータとの間では、住所録やスケジュール表、写真データなどのデータを、電気配線をつなげることなく簡便に伝送することができる。このような利便性から、赤外線を用いた空間光伝送は、今後さらに広く普及することが見込まれる。
【０００３】
近年、データ容量の増大により、伝送速度は、１Ｍｂｐｓから４Ｍｂｐｓ,１６Ｍｂｐｓへと増大の一途をたどっている。今後、高品質写真データ、動画データへとさらにデータ容量が増大し、それに応じて伝送速度もさらに高速化への要求が高まってきている。
【０００４】
また、一般に、伝送速度を速くすると、伝送距離が短くなってしまうが、長い伝送距離をより速い伝送速度で伝送する要求も高まっている。
【０００５】
現在、ＩｒＤＡ規格等に準拠した空間光伝送システムでは、光源として発光ダイオード(Light Emitting Diode；ＬＥＤ)が用いられ、受光素子としては、空間光伝送システムを安価に構築するために、安価なＳiフォトダイオード(Photo Diode；ＰＤ)が用いられている。一方、光源としては、伝送速度の高速化、伝送距離の長距離化に伴い、使用するＬＥＤの光出力を高出力にする必要がある。
【０００６】
例えば、特開２００１−３０８３７６号公報(特許文献１)には高出力赤外ＬＥＤが開示されており、図１３にその高出力赤外ＬＥＤの構造を示している。この高出力赤外ＬＥＤは、図１３に示すように、ｎ−ＧaＡs基板(図示せず)上に第１のｎ−ＡlＧaＡs層５、ｎ−ＡlＧaＡsクラッド層６、ｐ−ＡlＧaＡs活性層７、ｐ−ＡlＧaＡsクラッド層８、第１のｐ−ＡlＧaＡs層９を液相エピタキシャル成長法により順次積層した後に、ｎ−ＧaＡs基板を選択的に除去して、ＬＥＤウェハを作製している。このＬＥＤでは、発光した光が基板に吸収されないように、ＧaＡs基板を除去することにより、高出力化を図っている。
【０００７】
また、この他にも、基板とクラッド層の間に反射層を挿入することにより高出力化を図った例として、特開平８−２８８５４７号公報(特許文献２)に、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition；有機金属気相成長)法により結晶成長させた高出力ＬＥＤが開示されている。
【０００８】
このように、ＬＥＤの高出力化が図られているが、ＬＥＤの変調速度は数十ＭＨz程度が上限と考えられており、それ以上の高速で変調するには、ＬＥＤでは対応できなくなってきている。また、ＬＥＤでは、高速、長距離化のために、光出力を高くすると、非常に大きい駆動電流を必要とし、消費電力が膨大になるという問題と、それに伴って信頼性が低下するという問題がある。
【０００９】
これに対して、空間光伝送用光源として半導体レーザ素子(Laser Diode；ＬＤ)を用いる試みがここ最近行われ始めている。空間光伝送用光源として半導体レーザ素子を用いると、高速変調が可能であり、ＬＥＤと比較して、同じ光出力を得るための消費電力を低く抑えることができる。
【００１０】
しかしながら、半導体レーザ素子を用いて光を空間に直接放射する場合、空間的なコヒーレント性が高いという半導体レーザ素子の特徴から、レーザ光が眼に入ったときに、網膜に光が集光し、網膜上での光密度が非常に大きくなり、眼球が損傷する危険性がある。このため、半導体レーザ素子の光を空間へ放射する場合は、レーザ光の放射する箇所に拡散板を設置する、或いは、半導体レーザ素子を拡散剤の混入した樹脂でモールドする等の措置を施し、レーザ光の空間的なコヒーレンシーを低減させ、人の網膜上での光の結像を大きくして、網膜上での光密度を下げて使用する必要がある(以下、「眼に安全な」と言う意味で「アイセーフ」と称する)。
【００１１】
空間光伝送用光源として、半導体レーザ装置が用いられ始めているが、どのような半導体レーザ装置を用いるのが空間光伝送用光源として適しているかという点については、殆ど検討されていない。
【特許文献１】特開２００１−３０８３７６号公報
【特許文献２】特開平８−２８８５４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
そこで、この発明の目的は、高出力かつ低消費電力で高速変調が可能な空間光伝送用半導体レーザ装置を提供することにある。
【００１３】
さらに、この発明のもう１つの目的は、上記空間光伝送用半導体レーザ装置を用いた空間光伝送システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、この発明の空間光伝送用半導体レーザ装置は、
活性層と、上記活性層を挟むガイド層と、上記活性層および上記ガイド層を挟むクラッド層がＧaＡs基板上に形成された半導体レーザ素子と、
上記半導体レーザ素子の少なくとも一部を覆うモールド樹脂部と
を備え、
上記半導体レーザ素子の上記活性層は、ＩnＧaＡsである井戸層と上記井戸層を挟むバリア層で構成された量子井戸構造をしており、
上記半導体レーザ素子は、樹脂モールドする前のチップ状態で２５℃における発振波長が８５７ｎｍ以上かつ８７１ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１５】
上記構成の空間光伝送用半導体レーザ装置によれば、上記半導体レーザ素子の活性層を、ＩnＧaＡsである井戸層およびその井戸層を挟むバリア層で構成された量子井戸構造とすることによって、高出力化が可能となり、低消費電力で、高速変調が可能な空間光伝送用半導体レーザ装置を実現できる。また、上記半導体レーザ素子は、樹脂モールドする前のチップ状態で２５℃における発振波長が８５７ｎｍ以上かつ８７１ｎｍ以下にすることによって、例えば、樹脂モールドされた状態で使用環境温度(−２５℃〜＋８５℃)において、アイセーフ性を確保するために必要な８５０ｎｍ以上で発振し、かつ、安価なＳiＰＤを使用するために必要な９００ｎｍ以下で発振することができるようになり、ＩｒＤＡ規格にも適切に準拠させることができ、−２５℃〜＋８５℃の範囲で実用上全く問題のない空間光伝送用半導体レーザ装置を実現できる。
【００１６】
また、一実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置は、上記半導体レーザ素子が、樹脂モールドされた状態で使用環境温度における発振波長が８５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００１７】
上記実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置によれば、半導体レーザ素子が、樹脂モールドされた状態で８５０ｎｍ以上かつ９００ｎｍ以下の発振波長範囲内において高出力で高速変調が可能となる。したがって、ＩｒＤＡ規格用の光源として最適な空間光伝送用半導体レーザ装置を実現できる。
【００１８】
また、一実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置は、上記井戸層がＩn１−ｘ１Ｇaｘ１Ａs(０.８５≦ｘ１＜１)であり、上記量子井戸構造における井戸幅ｄが４ｎｍ≦ｄ≦８ｎｍであることが好ましい。
【００１９】
上記実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置によれば、井戸層Ｇaの組成ｘ１が０.８５≦ｘ１＜１とすることにより、温度変化に対する発振波長の変動を小さくでき、発振波長が安定化する。また、量子井戸構造における井戸幅ｄが４ｎｍ≦ｄ≦８ｎｍとすることにより、閾値電流が低下して効率が上昇し、高出力化が可能となると共に、発光寿命τを小さくして高速変調が可能となり、さらに雑音が低減される。したがって、井戸層のＧa組成ｘ１が０.８５≦ｘ１＜１、井戸幅ｄが４≦ｄ≦８ｎｍという条件を満たすとき、半導体レーザ素子の閾値電流、効率、発光寿命τ、雑音、特性温度Ｔo、信頼性の全てを満足することができる。
【００２０】
また、一実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置は、上記井戸層がＩn１−ｘ１Ｇaｘ１Ａs(０.９≦ｘ１≦０.９６)であり、上記量子井戸構造における井戸幅ｄが４ｎｍ≦ｄ≦６ｎｍであることが好ましい。
【００２１】
上記実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置によれば、井戸層Ｇaの組成ｘ１が０.９≦ｘ１≦０.９６で温度変化に対する発振波長の変動を小さくでき、発振波長が安定化する。また、量子井戸構造における井戸幅ｄが４ｎｍ≦ｄ≦６ｎｍとすることにより、閾値電流が低下して効率が上昇し、高出力化が可能となると共に、発光寿命τを小さくでき、高速変調が可能となり、さらに雑音が低減される。したがって、井戸層のＧa組成ｘ１が０.９≦ｘ１≦０.９６、井戸幅ｄが４≦ｄ≦６ｎｍという条件を満たすとき、半導体レーザ素子の閾値電流、効率、発光寿命τ、雑音、特性温度Ｔo、信頼性の全てをより高いレベルで満足することができる。
【００２２】
また、一実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置は、上記量子井戸構造における井戸数が４以下であることが好ましい。
【００２３】
上記実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置によれば、量子井戸構造における井戸数を増やすと、特性温度Ｔoは大きくなり、温度に対して特性が安定する一方、井戸数が少ないほど発光寿命τが小さくでき、高速変調が可能となる。したがって、トレードオフの関係にある特性温度Ｔoと発光寿命τを満足させるためには、井戸数４以下が望ましい。
【００２４】
また、一実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置は、
上記バリア層がＧaｘ２Ｉn１−ｘ２Ａs１−ｙＰｙであり、
上記バリア層のＧa組成ｘ２とＰ組成ｙが、
ｙ≦−２.１７ｘ２＋２.５
ｙ≧−１.６４ｘ２＋１.６３
ｙ≦−０.２７ｘ２＋０.８８
ｘ２≧０.６５
の条件を満たすことを特徴とする。
【００２５】
上記実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置によれば、上記ＩnＧaＡs井戸層に対して有効なＧaＩnＡsＰバリア層を提供でき、高出力、低消費電力で、信頼性が高く、高速変調が可能になる。
【００２６】
また、一実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置は、上記バリア層がＡlｘ３Ｇa１−ｘ３Ａs(０.１≦ｘ３≦０.３)であってもよい。
【００２７】
上記実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置によれば、上記ＩnＧaＡs井戸層に対して、量子井戸構造を形成するのに有効なＡlＧaＡsバリア層を提供でき、高出力化、低消費電力で、高速変調が可能になる。ここで、バリア層とは、量子井戸構造を構成していて、井戸層を挟んでいる層を指しており、後述するガイド層とは区別している。
【００２８】
また、半導体レーザ素子を樹脂モールドして空間光伝送用レーザモジュールとして使用すると放熱が悪く、波長の変動が大きくなるため、幅広い温度変動を考慮する必要があり、通常の半導体レーザ素子と比べて、温度に対して、波長および特性がより安定しており、高温動作でも信頼性を確保する必要がある。
また、ＡlＧaＡsバリア層を用いた場合、バリア層のＡl組成ｘ３が０.１≦ｘ３≦０.３の範囲内で小さい(Ｇa組成が大きい)ほど動作電圧Ｖopが下がって安定するのでより好ましい。
【００２９】
また、ＡlＧaＡsバリア層を用いると、特性温度Ｔoは、ＧaＩnＡsＰバリア層を用いるよりも向上する。これは、井戸層とバリア層のコンダクションバンドの差がＡlＧaＡsバリア層を用いた方が大きくできるためと考えられる。特にＡl組成０.１５以上で効果は大きい。
【００３０】
また、一実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置は、上記ガイド層がＡlｘ４Ｇa１−ｘ４Ａs(ｘ４≧０.３)であってもよい。
【００３１】
上記実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置によれば、ＡlＧaＡsをガイド層として用いると、効率が向上し、動作電圧Ｖopも低下して高出力化ができる。また、ＡlＧaＡsガイド層により、特性温度Ｔoが向上し、高温で安定動作し、ＡlＧaＡsガイド層のＡl組成が０.３以上で特に特性温度Ｔoの向上に効果がある。
【００３２】
また、この発明の空間光伝送システムは、上記のいずれか１つの空間光伝送用半導体レーザ装置を備えたことを特徴とする。
【００３３】
上記構成の空間光伝送システムによれば、上記空間光伝送用半導体レーザ装置を備えることにより、数十から百Ｍｂｐｓを超える高速空間光伝送が実現できる。そのため、携帯端末をはじめ、パーソナルサーバ、パーソナルコンピュータ、プリンタなど、様々な機器に上記空間光伝送用半導体レーザ装置を搭載しておくことにより、それぞれの機器間で高速なワイヤレスデータ伝送を行うことができる。従来、ＩｒＤＡ規格に準ずる半導体レーザ装置で伝送を行うと、高画質画像データや動画データ等のデータ容量が大きいため、十秒〜数十秒以上の時間がかかり、必ずしも使い勝手は良いものではなかった。これに対して、この発明の空間光伝送システムでは、前述の空間光伝送用半導体レーザ装置を使用することにより、高速でデータ伝送を行うことができため、瞬時にデータを送ることが可能となり、高い頻度で手軽にデータを伝送することができ、利便性が飛躍的に向上する。
【発明の効果】
【００３４】
以上より明らかなように、この発明の空間光伝送用半導体レーザ装置によれば、ＬＥＤと比べて高出力化が可能となり、数十ＭＨzを越える高速伝送や、より長距離での高速な伝送ができる低消費電力な空間光伝送用の光源を提供することができる。また、例えば−２５℃〜＋８５℃の使用環境温度範囲における発振波長を８５０ｎｍ以上かつ９００ｎｍ以下とすることが可能となり、波長が比較的長くなる分、眼に対する安全性が向上すると同時に、安価なＳiフォトダイオードを用いることができる。
【００３５】
また、この発明の空間光伝送システムによれば、上記空間光伝送用半導体レーザ装置を用いることにより、高速伝送や、より長距離での高速な空間光伝送が低消費電力で可能な空間光伝送システムを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
この発明の空間光伝送用半導体レーザ装置および空間光伝送システムの実施の形態を説明する前に、本発明者が実施した実験結果等に基づいて本発明を説明する。
【００３７】
空間光伝送用に半導体レーザ素子を用いるには、まず、最適な発振波長を考える必要がある。また、高速な空間光伝送を行うには、半導体レーザ素子として次の(１)〜(３)が必要となる。
(１)  高出力(すなわち低閾値電流、高効率、高信頼性)
(２)  発光寿命τが小さい
(３)  雑音が小さい
(４)  低閾値電流、高効率、低動作電圧
(５)  使用環境温度範囲で、波長λ、閾値電流Ｉth等の特性が安定
【００３８】
[発振波長について]
従来のＬＥＤに代えて半導体レーザ素子を空間光伝送用光源として使用する場合には、レーザ光が目に入ったときの安全性を確保する必要がある。レーザ光の波長が短いほど眼球に絞られる光スポットの大きさが小さくなり、すなわち光密度が大きくなり、目に与える損傷は大きくなる。そこで、アイセーフの観点からは、半導体レーザ素子の発振波長は８５０ｎｍより長い方が望ましい。
【００３９】
また、空間光伝送用のディテクタとしては、システムのコストを抑えるために従来から使われている安価なＳiフォトダイオードを用いることが望ましい。このＳiフォトダイオードは、９００ｎｍ付近から波長が長くなるほど感度が低下し始めるため、半導体レーザ素子の発振波長は、使用環境温度範囲内で９００ｎｍ以下にすることが望まれる。なお、ディテクタにＩnＰフォトダイオードも用いる場合も、９００ｎｍ付近から波長が長くなるほど感度が低下するため、半導体レーザ素子の発振波長は使用環境温度範囲内で、９００ｎｍ以下にする必要がある。
【００４０】
空間光伝送用半導体レーザ装置として、使用環境が例えば−２５℃から８５℃までの温度範囲(半導体レーザ素子自体の温度と区別して使用環境温度と称する)での使用に関し、本発明者は、８５０ｎｍ〜９００ｎｍ帯半導体レーザ素子を作製し、発振波長の使用環境温度に対する依存性を実験により調べた。
【００４１】
図１０に発振波長の使用環境温度依存性を表すグラフを示す。この図において、横軸は温度[℃]を表し、縦軸は発振波長[ｎｍ]を表している。実験の結果、半導体レーザ素子をモールドすることによって、発振波長が５〜１５ｎｍ長くなることが分かった。図中の黒四角◆と黒丸●はモールド無しのデータ点であり、それらをそれぞれモールドしたものが白四角◇と白丸○である。モールド後の半導体レーザ素子の発振波長が、‐２５℃から＋８５℃の温度範囲で８５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下にするために、モールド前後での発振波長変動を考慮して半導体レーザ素子を作製している。
具体的には、−２５℃における黒丸●に示すモールド無しの半導体レーザ素子の発振波長は８４５ｎｍとなるようにし、また、＋８５℃における黒四角◆に示す半導体レーザ素子の半導体レーザ素子の発振波長は８８５ｎｍとなるようにしている。このことによって、−２５℃における白丸○に示すモールド後の半導体レーザ素子の発振波長は８５０ｎｍであり、＋８５℃における白四角◇に示す半導体レーザ素子の発振波長は９００ｎｍとなっている。
なお、＋８５℃における黒丸●と白丸○のばらつきと、−２５℃における黒四角◆と白四角◇のばらつきは、井戸／バリアの構成(井戸厚、バリア組成、井戸組成など)の違いにより、＋８５℃や−２５℃で同じ波長であっても温度が変わるにつれて、波長の変動幅が変わることを示している。
【００４２】
図１０から明らかなように、発振波長は、１℃上昇すると約０.２４ｎｍ〜０.２９ｎｍ波長が長くなり、８５℃における波長と−２５℃における波長との差は約３０ｎｍとなることが分かる。
【００４３】
さらに、本発明者は、アイセーフ化のために拡散剤を混入した樹脂で半導体レーザ素子をモールドし、モールドサイズやモールド材料、モールド方法を変えたアイセーフ半導体レーザ装置を作製し、発振波長の使用環境温度に対する依存性を実験により調べた。その結果、モールドすることによって放熱性が悪くなり、モールドサイズやモールド材料、モールド方法により異なるが、半導体レーザ素子の駆動時の波長がモールドしないときよりも前述のように５ｎｍ〜１５ｎｍ長くなることが分かった。例えば、モジュールのサイズを変えた場合、サイズが小さいと放熱が悪くなるため、波長の変動が大きくなる一方、大型モジュールであれば、比較的放熱が良く、波長変動も小さくなる。
【００４４】
このように、アイセーフ半導体レーザ装置では、使用環境温度による波長の変動に加えて、使用形態による波長の変動も考慮する必要があり、製造上の波長ばらつきも含めて、使用するモジュールによりモールドした状態で発振波長を８５０ｎｍ〜９００ｎｍとする必要がある。同じ半導体レーザ素子のチップでさまざまな空間光伝送用半導体レーザ装置のアプリケーションに対応するには、幅広い温度変動を考慮する必要がある。したがって、温度に対して、発振波長および特性をより安定させ、高温動作でも信頼性を確保する必要がある。
【００４５】
上記使用環境温度範囲として−２５℃〜８５℃を想定した場合、半導体レーザ素子自体の温度変化による発振波長の変動が約３０ｎｍあり、モールドすることによりさらに５ｎｍ〜１５ｎｍ波長が長くなることから、アイセーフ化したモールド半導体レーザ装置では、４０ｎｍの波長変動を考慮する必要がある。最適な発振波長範囲が８５０ｎｍ〜９００ｎｍであるのに対して、１０ｎｍしか波長変動に対するマージンが無いことになる。したがって、モールドをしない状態の半導体レーザ素子で発振波長を厳密に決めておかないと、モールドした場合に最適な発振波長範囲から外れる可能性が生じる。
【００４６】
そこで、モールドした状態の半導体レーザ素子の発振波長を８５０ｎｍ〜９００ｎｍにするには、元のモールドしない状態でどのようにすればよいか考えた場合、使用環境温度−２５℃〜８５℃の範囲で発振波長８５０ｎｍ〜９００ｎｍにするには、−２５℃で８５０ｎｍ以上かつ８５℃で９００ｎｍ以下にすればよい。半導体レーザ素子の温度が１℃上昇すると約０.２４ｎｍ〜０.２９ｎｍ波長が長くなることから、８５℃で９００ｎｍ以下にするには、室温(２５℃)で発振波長を８８６ｎｍ(＝９００ｎｍ−０.２４ｎｍ／℃×(８５−２５)℃)〜約８８３ｎｍ(＝９００ｎｍ−０.２９ｎｍ／℃×(８５−２５)℃)以下であればよい。また、−２５℃で８５０ｎｍ以上にするには、室温(２５℃)で発振波長を約８６２ｎｍ(＝８５０ｎｍ＋０.２４ｎｍ／℃×(２５−(−２５))℃)〜８６４ｎｍ(＝８５０ｎｍ＋０.２９ｎｍ／℃×(２５−(−２５))℃)以上であればよい。
【００４７】
さらに、半導体レーザ素子を樹脂モールドすることにより、波長が５ｎｍ〜１５ｎｍ長くなることを考慮すると、８５℃で９００ｎｍ以下にするには、モールドしない状態では、室温(２５℃)で発振波長を約８７１ｎｍ(＝８８６ｎｍ−１５ｎｍ)〜８６８ｎｍ(＝８８３ｎｍ−１５ｎｍ)以下に、−２５℃で８５０ｎｍ以上にするには、モールドしない状態では、８５７ｎｍ(＝８６２ｎｍ−５ｎｍ)〜８５９ｎｍ(＝８６４ｎｍ−５ｎｍ)以上となる。
【００４８】
以上より、モールドしない状態では２５℃で８５７ｎｍ〜８７１ｎｍ、好ましくは８５９ｎｍ〜８６８ｎｍとすることにより、モールドした状態において、使用環境温度範囲−２５℃〜８５℃で空間光伝送用半導体レーザ装置として必要な発振波長８５０ｎｍ〜９００ｎｍを得ることが可能となる。
【００４９】
なお、ここでは使用環境温度を−２５℃〜８５℃としたが、−２５℃〜８５℃の範囲は実用上十分すぎるほどであり、使用環境温度範囲が狭ければ波長範囲は広くなるが、少なくとも上記発振波長の範囲内であれば問題ない。
【００５０】
また、半導体レーザ素子の発振波長は、井戸層のバンドギャップエネルギーＥg、井戸幅、バリアの高さにより決まるが、空間光伝送用半導体レーザ装置としてどのような井戸層を用いるのが適しているかについて、本発明者が検討した結果、空間光伝送用半導体レーザ装置として、ＩnＧaＡs層を量子井戸層として用いた場合、井戸層のＧa組成が小さく、井戸幅が薄いほど、温度に対する発振波長の変動は小さいことが分かった。
【００５１】
これは、ＧaＡsよりもＩnＡsの方が発振波長の温度依存が小さいため、井戸の混晶比がＩnＡsに近いほど発振波長の温度依存は小さくなるためと考えられる。すなわち、ＩnＧaＡs井戸層のＧa組成が小さいほど、発振波長の温度依存は小さくなる。したがって、井戸幅が薄いほど、あるいは、バリアが高いほど、同じ波長にするにはＩnＧaＡs井戸層のＧa組成は小さくなるため、発振波長の温度依存は小さくなる。発振波長の温度依存という観点からは、井戸層のＧa組成は小さく、井戸幅は薄い方が望ましい。
【００５２】
[特性温度Ｔoについて]
また、空間光伝送用半導体レーザ装置では、半導体レーザ素子のチップの温度上昇分も考慮し、使用範囲内で波長が安定すると共に、素子特性が安定する必要がある。素子特性の温度Ｔに対する安定性を表すのに特性温度Ｔoが用いられ、閾値電流Ｉthは、
Ｉth  ∝  ｅｘｐ(Ｔ／Ｔo)
で表される。特性温度Ｔoが大きいほど、温度変化に対して素子特性が安定している。空間光伝送用半導体レーザ装置では、上記のように幅広い温度範囲での動作が必要であり, 特性温度Ｔoをより高くすることが必要となる。
【００５３】
本発明者が行った実験によると、ＩnＧaＡs層を量子井戸層として用いた空間光伝送用半導体レーザ装置の場合、井戸幅を厚くするか、あるいは井戸数を増やすと、特性温度Ｔoは大きくなり、温度に対して特性が安定した。これは、井戸層の体積を増やしたことにより、キャリアが井戸層の外へ溢れ出る量が減ったため、特性温度Ｔoが増大したと考えられる。なお、特性温度Ｔoの観点からは、井戸幅を厚く、井戸数を増やしたほうが望ましいが、特性温度Ｔoに関してはバリア層やガイド層によっても大きくできるため、井戸層としては他の特性とも絡めて考える必要がある。
【００５４】
[高出力化について]
また、高速伝送を行うには、光源の高出力化が必要となる。半導体レーザ素子において高出力を実現するには、少ないキャリアの注入でより多く光らせること、また、発振光の吸収を減らすことが必要となる。すなわち、閾値電流が低く、効率が高いことが望まれる。また、キャリアの注入量や、発振光の吸収が増えると、半導体レーザ素子のチップ温度が上昇し、劣化の原因となり、さらに高出力化が難しくなる。すなわち、半導体レーザ素子に高い信頼性が求められる。
【００５５】
空間光伝送用半導体レーザ装置の活性層としては量子井戸構造が適しており、ＩnＧaＡs層を量子井戸層として用いる場合は、井戸幅を薄くするほど、量子効果により少ないキャリアで効率よく光に変換されるようになり、閾値電流が下がって効率が向上する。ただし、井戸幅を４ｎｍ以下にすると、利得の飽和が生じてしまうため、４ｎｍ以上であることが望ましい。
【００５６】
また、井戸幅を薄くすると、同じ発振波長にするには井戸層のバンドギャップエネルギーＥgを小さくする必要があるが、井戸層のバンドギャップエネルギーＥgを小さくするために井戸層のＩnの組成を増やしていくと、歪量が増加し、キャリアの有効質量が低下して、閾値電流が低下することにより、効率が向上するという効果もある。
【００５７】
したがって、高出力化という観点からは、ＩnＧaＡs井戸層のＧa組成を小さくし、井戸幅を薄くすることが望ましい。
【００５８】
[信頼性について]
半導体を結晶成長させるとき、その結晶性が重要になってくるが、結晶欠陥や酸素などの不純物が結晶中に取り込まれると、これらは非発光再結合中心となる。
【００５９】
非発光再結合中心が活性層中に多く存在すると、キャリアは発振に寄与する発光再結合以外に、非発光再結合として消費されてしまうため、半導体レーザ素子に注入したキャリアが光に変換される効率が低下し、高い光出力を出せなくなる。また、これら結晶欠陥や酸素などの不純物は、レーザ光に対して吸収体となり、これら吸収体が多いと半導体レーザ素子内に分布しているレーザ光の吸収が大きくなり、出射される光出力がさらに低下する。また、発光再結合は、キャリアのエネルギーが光のエネルギーに変換されるのに対して、非発光再結合は熱エネルギーに変換されることから、非発光再結合により半導体レーザ素子の温度が上昇する。また、レーザ光を吸収する結晶欠陥が増殖して、次々と非発光再結合中心が増大していき、半導体レーザ素子が劣化してしまうといった問題が生じる。
【００６０】
このように、活性層中に非発光再結合中心や光の吸収体となる結晶欠陥や酸素などの不純物などが存在すると、活性層自体が劣化していく。
【００６１】
また、半導体レーザ素子は、発振させるためのミラーをへき開により形成しており、へき開時に空気に曝されることによりレーザ端面が酸化され、この端面に形成された酸化物もまた吸収体となる。半導体レーザ素子の出射端面にこのような吸収体が存在すると、レーザ発振した光が吸収されて、温度が上昇する。そうして、温度が上がることにより、出射端面付近の活性層のバンドギャップが小さくなり、端面部分の吸収量がさらに増え、さらに温度が上昇する。という正の帰還が働き、ついには端面破壊(ＣＯＤ)が起きてしまう。
【００６２】
しかしながら、半導体レーザ素子は、量子井戸活性層の井戸幅を厚くしたり、井戸数を増やしたりすると、信頼性は向上する。これは、井戸層の体積が増えることにより、単位体積当りの光強度(光密度)が小さくなるため、井戸層内や出射端面において、同じ密度で吸収体が存在していたとしてもその吸収体が受ける光の強度は小さくなり、吸収量が減少するため、その結果信頼性が向上したからと考えられる。
【００６３】
また、本発明者が行った実験によると、空間光伝送用半導体レーザ装置では、井戸幅が薄い場合であっても、高い信頼性が保たれた。これは、ＩnＧaＡs層を量子井戸層として用いると、活性なＡlを含まないため、酸素などの不純物が井戸層中に取り込まれにくくなるのとともに、井戸幅が薄いと同じ発振波長とするには井戸層のＧa組成を小さく(Ｉn組成を大きく)する必要があり、井戸層のＩnが増えることにより、活性層中の結晶欠陥の伝播が抑えられることから、信頼性が向上したものと考えられる。
【００６４】
[発光寿命τについて]
空間光伝送では、光源をオン／オフ(または高出力／低出力)することにより、１／０の信号を伝送している。ここで、光源をオンからオフにしたときに、光強度はある時間をもって減衰していく。これを発光寿命τと呼ぶ。この光の減衰は、活性層内に注入されていたキャリアがある時間をもって再結合していくためと考えることができる。
【００６５】
キャリアの再結合には、レーザ発振が寄与している発光再結合と、活性層内に存在する非発光再結合中心を介して再結合する非発光再結合がある。光の減衰について考えると、非発光再結合中心が多いほど、その分の再結合量が増すため、発光寿命τは小さく(光の減衰は大きく)なるといえる。
【００６６】
前述の通り、結晶成長(結晶性)やＬＤ特性の観点から見ると、非発光再結合中心や光の吸収体となる結晶欠陥や酸素などの不純物はできる限り少なくする必要がある。すなわち、半導体レーザ素子を作製する上では、できる限り発光寿命τを大きくする方が一般的には望ましい。
【００６７】
一方、空間光伝送を考えると、光源をオフにした後、光が減衰して初めて信号が０になるため、発光寿命τが長いと次にオンにするまでの時間を長く取らないと、１と０の信号を分離できなくなり、通信エラーの原因となる。したがって、より高速に変調することを考えると、発光寿命τはできる限り小さくする必要がある。
【００６８】
このように、半導体レーザ素子の特性と高速変調とは、発光寿命τについてトレードオフの関係にある。したがって、空間光伝送用に半導体レーザ素子を用いる場合は、半導体レーザ素子の特性、信頼性が充分に保たれる範囲でできる限り発光寿命τは小さくする必要がある。
【００６９】
そこで、本発明者が発光寿命τの活性層厚さに対する依存性を実験により調べたところ、発光寿命τは活性層の厚さに依存していることが分かり、活性層の厚さを薄くするほど発光寿命τは小さくできることが分かった。すなわち、バルクの活性層よりも量子井戸活性層の方が発光寿命τは小さくでき、また、量子井戸活性層の井戸幅が薄い方が発光寿命τは小さくでき、高速変調が可能となり、空間光伝送用半導体レーザ装置としては適していることが分かった。また、活性層を量子井戸構造とすることにより、バルク活性層と比べて、量子効果によりキャリアから光の変換効率が向上し、低閾値、高効率で高出力まで高い信頼性の素子特性が得られ、同時に発光寿命τを小さくすることも可能となった。井戸幅は薄いほど効果が大きく、また、井戸数が少ないほど発光寿命τは小さくなり、井戸数４以下が望ましい。
【００７０】
このような信頼性を保ったまま発光寿命τを小さくできたのは、非発光再結合や光の吸収が少ないまま、少ないキャリアの注入量で効率よく発光再結合が行われたためと考えられる。
【００７１】
[相対雑音強度について]
高速で空間光伝送を行うとき、信号と雑音の比(ＳＮ比)を充分大きく取らないと、通信エラーの原因となる。雑音の原因として、背景光による影響などの使用環境で発生する雑音と、光源である半導体レーザ素子自体の雑音がある。空間光伝送用に半導体レーザ素子を用いるに際しては、半導体レーザ素子自体の雑音を低く抑えておく必要がある。
【００７２】
そこで、本発明者は、井戸幅を変えて複数の半導体レーザ素子を作製し、相対雑音強度(ＲＩＮ；Relative Intensity Noise)を測定したところ、井戸幅が４ｎｍ以下および８ｎｍ以上では雑音が大きくなり、空間光伝送用光源としては適さないことが分かった。
【００７３】
これは、井戸幅が４ｎｍ以下では、井戸層とバリア層との界面の急峻性の良し悪しに大きく影響され、雑音が大きくなったものと考えられる。また、８ｎｍ以上では、バンド内で複数の量子準位が近づき、雑音の原因になったと考えられる。
【００７４】
また、井戸幅を薄くしたり、バリア層を高くしたりして、井戸層のＩn組成を大きくすると、雑音が低下した。これは、Ｉnを入れることにより、井戸層のバレンスバンドでヘビーホールバンドとライトホールバンドが分離し、お互いのバンド同士の干渉が減少するためと考えられる。
【００７５】
[井戸層の組成、井戸幅、井戸数について]
以上のことから、空間光伝送用半導体レーザ装置の活性層としては、ＩnＧaＡs層を井戸層とした量子井戸構造を用いることが好ましい。ＩnＧaＡs井戸層の井戸幅、井戸層の組成、井戸数は、閾値電流、効率、特性温度Ｔo、発光寿命τ、信頼性、雑音、温度に対する波長変動がそれぞれ複雑に絡み合っており、高速空間光伝送用光源として用いる場合には、それぞれの効果を考慮しつつ、そのメリット、デメリットの折り合いをつけるのが非常に難しい。
【００７６】
例えば、井戸幅についてみると、閾値電流、効率、発光寿命τと、特性温度Ｔo、信頼性とはトレードオフの関係にあり、さらに、雑音や井戸層の組成とも絡んでくる。
【００７７】
井戸幅を薄くしていくと、閾値電流が低下し、効率が上昇し、高出力化が可能となる。また、発光寿命τを小さくでき、高速変調が可能となる。しかしながら特性温度Ｔoが低下し、信頼性も低下していく。
【００７８】
一方、井戸幅を厚くしていくと、特性温度Ｔoを大きくでき、また、信頼性も向上する。しかし、閾値電流は増加し、効率は低下し、発光寿命τは長くなる。
【００７９】
また、雑音は、井戸幅が４ｎｍ〜８ｎｍで低くなり、それよりも薄くしても、厚くしても大きくなる。
【００８０】
次に、井戸層の組成について見てみると、井戸層のＩn組成を大きくすると、歪の効果により閾値電流が低下し、効率が上昇し、高出力化が可能となる。また、雑音も低下する。また、Ｉnを入れることにより転位の伝播が抑制され、信頼性が向上する。しかし、Ｉnを増やしていくとバンドギャップエネルギーＥgが小さくなり、波長が長くなってしまい、波長を短くするには井戸幅を薄くしなくてはいけなくなり、４ｎｍより薄くなると、逆に閾値電流が増加し、効率が低下し、雑音が増大し、信頼性も低下する。
【００８１】
これらを勘案すると、井戸幅と井戸層の組成の組み合わせとしては、井戸幅ｄが４≦ｄ≦８ｎｍ、井戸層のＧa組成ｘが０.８５≦ｘ＜１という条件を満たすときのみ、半導体レーザ素子の閾値電流、効率、発光寿命τ、雑音、特性温度Ｔo、信頼性の全てを満足すると共に、高出力で高速変調可能な空間光伝送用半導体レーザ装置を提供することができる。
【００８２】
また、井戸幅ｄが４≦ｄ≦８ｎｍ、井戸層のＧa組成ｘが０.８５≦ｘ＜１という範囲で、井戸層のＧa組成が小さく、井戸幅が薄いほど、波長の変動を小さくすることができる。
【００８３】
[井戸層の組成、井戸幅のさらなる限定について]
井戸幅を薄くしていくと、閾値電流が低下し、効率が上昇し、高出力化が可能となる。また、発光寿命τを小さくでき、高速変調が可能となり、特に井戸幅が８ｎｍ以下でその効果が顕著に表れるが、より好ましくは、６ｎｍ以下とするとその効果は大きい。
【００８４】
また、雑音は、井戸幅が４ｎｍ〜８ｎｍで低くなり、それよりも薄くしても、厚くしても大きくなる。より好ましくは井戸幅が４ｎｍ以上かつ６ｎｍ以下で、雑音は最も低下する。
【００８５】
一方、井戸幅を厚くしていくと、特性温度Ｔoを大きくでき、また、信頼性も向上する。井戸層としてＩnＧaＡsを使用すると、井戸幅を薄くしても信頼性は確保でき、また、バリア層やガイド層を工夫することにより特性温度Ｔoの低下をカバーできるため、高出力化を優先して、井戸幅は薄くした方がよい。ただし、井戸幅が４ｎｍより薄くなると、逆に閾値電流が増加し、効率が低下し、雑音が増大し、信頼性も低下してしまうことから、井戸幅は４ｎｍ以上かつ６ｎｍ以下が好ましい。
【００８６】
井戸層のＩn組成を大きくすると、歪の効果により閾値電流が低下し、効率が上昇し、高出力化が可能となる。また、雑音も低下する。また、Ｉnを入れることにより転位の伝播が抑制され、信頼性が向上する。また、井戸層のＧa組成が小さく、井戸幅が薄いほど、波長の変動を小さくすることができる。Ｉnの組成０.０４以上(Ｇaの組成０.９６以下)で特にこれらの効果が見られた。
【００８７】
しかし、井戸幅４ｎｍ〜６ｎｍの範囲でＩn組成を増やすには、波長を合わせるためにバリアを高くする必要があり、この場合、動作電圧が上昇してしまう。このため、動作電圧の上昇を抑えるにはＩn組成は０.１以下(Ｇa組成０.９以上)であることが好ましい。
【００８８】
これらを考慮すると、井戸層のＧa組成は０.９以上かつ０.９６以下であることがより好ましい。
【００８９】
以上より、井戸幅と井戸層の組成の組み合わせを考えると、井戸幅ｄは４≦ｄ≦６ｎｍ、井戸層のＧa組成ｘは０.９≦ｘ≦０.９６とすることで、ＬＤ特性、波長、発光寿命τ、雑音、特性温度Ｔo、信頼性の全てを満足すると共に、高出力で高速変調可能な空間光伝送用半導体レーザ装置を提供することができる。
【００９０】
[井戸数について]
また、本発明者は、井戸数を変えて半導体レーザ素子を作製し、閾値電流、効率、特性温度Ｔo、信頼性、発光寿命τ、雑音について比較する実験を行った。その結果、井戸数を増やすと特性温度Ｔoはよくなり、また、信頼性も向上することが分かった。しかしながら、井戸数を５以上にすると、閾値電流が上昇し、効率が低下し、また、雑音も大きくなった。一方、井戸数を減らすと、発光寿命τを小さくすることができる。これらを総合的に考えると、井戸数１〜４が最も適切である。
【００９１】
[ＧaＩnＡsＰのバリア層について]
また、本発明者が行った実験の結果(図１１に示す)、バリア層をＧaＩnＡsＰとすることにより、高い信頼性が確保できた。これは、活性層となる量子井戸構造中に活性なＡlを含まないため、活性層中および端面で、非発光再結合中心や吸収体となる酸素が減少し、その結果信頼性が向上したからと考えられる。
【００９２】
より小型、より高出力を必要とするようなアプリケーションでは、信頼性の高いＧaＩnＡsＰバリア層を用いることが好ましい。
【００９３】
また、ＧaＩnＡsＰバリア層を用いた場合、バリア層のＧa組成が小さいほど温度に対する波長の変動が小さいことが分かった。
【００９４】
図１１は上記実験結果のＧaｘ３Ｉn１−ｘ３Ａs１−ｙＰｙの組成平面を示している。図１１において、横軸はIII族のＧa組成を表し、縦軸はＶ族のＰ組成を表している。図１１の右下端がＧaＡsを表し、右上端がＧaＰを表している。以下、図１１に従ってＧaＩnＡsＰ層の組成を説明する。
【００９５】
[歪量について]
基板となるＧaＡsとＧaＩnＡsＰとの歪量εを次式により定義する。
歪量ε＝(ａ(ＧaＩnＡsＰ)−ａ(ＧaＡs))／ａ(ＧaＡs)
ここで、ａ(ＧaＩnＡsＰ)は、ＧaＩnＡsＰの格子定数
ａ(ＧaＡs)は、ＧaＡsの格子定数
【００９６】
基板と異なる格子定数の層を成長する場合、臨界膜厚を超えて成長すると転位が発生し、結晶性が著しく低下する。臨界膜厚以下では、横方向の格子定数が基板の格子定数に一致するように成長していき、結晶内に歪が介在されながらも転位が発生することなく成長を行うことができる。
【００９７】
ＧaＡsよりも格子定数の大きい組成の結晶をＧaＡs基板上に成長すると、横方向の格子定数がＧaＡsに一致するように結晶は圧縮されて成長する。この圧縮歪の歪量はプラスで表す。一方、ＧaＡsよりも格子定数の小さい組成の結晶を成長すると結晶は横方向に引っ張られて成長する。この引張歪の歪量はマイナスで表す。
【００９８】
図１１の組成平面において、歪量が同じになる組成を結んで等歪線を描いている。ＧaＡsから延びる直線がＧaＡsと格子整合するラインであり、これと平行に等歪線が描かれている。
【００９９】
ＧaＩnＡsＰにおいては、ＧaＡsと格子整合する組成から、Ｇa組成の大きい方向、Ｐ組成の大きい方向が引張歪となり、Ｇa組成の小さい方向、Ｐ組成の小さい方向が圧縮歪となる。
【０１００】
この発明の活性層は、井戸層(圧縮歪)、バリア層(圧縮歪または引張歪)ともに歪が入り得るため、歪が加えられている量子井戸部分(井戸／バリア)全体のトータルの歪量を考える必要がある。量子井戸部分のトータルの膜厚が上記トータルの歪量における臨界膜厚を越えないように、バリア層の組成および層厚を考える必要がある。臨界膜厚を越えて成長をすると、転位が発生し、結晶性が極端に悪くなり、素子特性が著しく低下する。
【０１０１】
[ＧaＩnＡsＰのバンドギャップエネルギーについて]
図１１の組成平面において、バンドギャップエネルギーＥgが同じになる組成を結んで等Ｅg線を描いている。バンドギャップエネルギーＥgは、Ｇa組成の大きい方向、Ｐ組成の大きい方向でＥgは大きくなり、Ｇa組成の小さい方向、Ｐ組成の小さい方向でＥgは小さくなる。
【０１０２】
量子井戸にキャリアを閉じ込めるために井戸層とバリア層のバンドギャップエネルギーの差ΔＥgを設ける必要がある。より詳しくは、井戸層とバリア層のコンダクションバンドＥcのエネルギー差ΔＥcおよびバレンスバンドＥvのエネルギー差ΔＥvをそれぞれ設ける必要がある。また、同じバンドギャップエネルギーＥgのＧaＩnＡsＰ組成を考えると、組成が異なると、同じバンドギャップエネルギーＥgであってもＥc,Ｅvのエネルギーレベルは異なってくる。半導体レーザ素子に対してはΔＥg、特にΔＥcを大きく取ることが望まれる。
【０１０３】
このようにバリア層のバンドギャップエネルギーＥgを大きくし、ΔＥg,ΔＥcを大きくすることにより、井戸層に注入されたキャリア(電子)がバリア層へ漏れにくくなり、特性温度Ｔoを大きくすることができる。すなわち、ＧaＩnＡsＰバリア層のＧa組成を大きく、Ｐ組成を大きくすることにより、特性温度Ｔoは大きくなる。しかしながら、Ｇa組成およびＰ組成を大きくすると、格子歪が大きくなって、結晶性の低下が懸念される。同じ歪量を考えると、Ｇa組成が小さく、Ｐ組成が大きい方向に組成を変化させると、バリア層のバンドギャップエネルギーＥgは大きくなりΔＥgを大きくすることができる。
【０１０４】
一方、同じバンドギャップエネルギーＥgで、Ｇa組成が小さく、Ｐ組成が大きい方向に組成を変化させると、ΔＥcはさほど変わらないのに対して、ΔＥvは大きくなっていくものと考えられる。また、ΔＥvが大きくなりすぎると、ｐクラッド層側から注入されたホールはこのバリア層のバレンスバンドがバリアとなり、井戸層へのホールが注入されにくくなり、半導体レーザ素子の効率が低下し、素子抵抗が増大し動作電圧が増大してしまうことが考えられる。また、井戸数を増やすと各井戸層へのホールの注入が不均一になりやすく、半導体レーザ素子の効率がさらに低下することが考えられる。一方、Ｇa組成を大きく、Ｐ組成を小さい方向に組成を変化させると、歪量が大きくなってしまう。
【０１０５】
[スピノーダル分解温度について]
また、ＧaＩnＡsＰ材料にはミシビリティーギャップ(化合物半導体において、異なる結晶を混ぜ合わせたときに相分離を起こして混晶が形成されない組成範囲)と一般に呼ばれるような領域が存在し、この領域で結晶成長を行うとき、混晶が不安定になり、組成として制御しにくくなる。この混晶の不安定性を表すパラメータとして、スピノーダル分解温度があり、スピノーダル分解温度よりも低い温度では、混晶として不安定になる。図１１では、スピノーダル曲線をＧaＩnＡsＰ組成平面上に重ねて描いている。図１１の組成平面上で、組成の中心部に近づくほどスピノーダル分解温度は高く、混晶不安定性が増大する。ミシビリティーギャップの観点からは、組成平面上で中心から外れた方が、結晶成長が行いやすい。
【０１０６】
組成平面上で、組成が中心部に近づくほど、組成を制御しにくくなるばかりでなく、結晶性が低下し、また、表面の平坦性も失われ、量子井戸のバリア層として使用すると、良好な量子井戸が得られず、空間光伝送用半導体レーザ装置として用いると、閾値電流や効率が著しく低下し、また、信頼性の低下、雑音の増大を招く。
【０１０７】
同じ歪量または同じバンドギャップエネルギーＥgを考えると、Ｇa組成が小さく、Ｐ組成が大きい方向では混晶が不安定になりやすく結晶性が低下する傾向にある。したがって、Ｇa組成が大きく、かつ、Ｐ組成が小さい方が結晶的には好ましい。
【０１０８】
[ＧaＩnＡsＰバリア層の組成範囲について]
上述のように、空間光伝送用半導体レーザ装置のバリア層にＧaＩnＡsＰを用いる場合、格子歪、バンドギャップエネルギーＥg、ΔＥc、ΔＥv、混晶不安定性(スピノーダル分解)が複雑に絡み合っており、その折り合いをつけるのが非常に難しい。
【０１０９】
図１２はＧaＩnＡsＰバリア層の組成平面図を示しており、この図１２を用いて、ＧaＩnＡsＰバリア層としての組成範囲を説明する。
【０１１０】
本発明者は、空間光伝送用の半導体レーザ素子を作製し、ＧaｘＩn１−ｘＡs１−ｙＰｙバリア層のＧa組成ｘ、Ｐ組成ｙと、素子特性の関係を実験により調べた。
【０１１１】
実験の結果、Ｇa組成およびＰ組成を大きくしていくと、ＧaＩnＡsＰバリア層のバンドギャップエネルギーＥgは大きくできるが、引張歪量が大きくなって、
ｙ＞−２.１７ｘ＋２.５
で表される領域では、閾値電流、効率、特性温度Ｔo、雑音、信頼性ともに著しく悪化した。これは、活性層のトータル厚さが臨界膜厚を越えたためと考えられる。したがって、
ｙ≦−２.１７ｘ＋２.５
で表される領域で組成を使用する必要がある。良好な素子特性と信頼性を確保するためには、
ｙ≦−２.０５ｘ＋２.３４
で表される組成領域であることが望ましい。より好ましくは、
ｙ≦−２.１ｘ＋２.２９
であることがより望ましい。
【０１１２】
Ｇa組成およびＰ組成を小さくしていくと、ＧaＩnＡsＰバリア層のバンドギャップエネルギーＥgは小さくなり、井戸層とのバンドギャップエネルギーＥgの差が取れなくなる。また、
ｙ＜−１.６４ｘ＋１.６３
で表される組成領域では、半導体レーザ素子の閾値電流、効率、雑音などの特性が著しく悪化した。これは、井戸層とバリア層のコンダクションバンドの差ΔＥcが取れなくなったため、井戸層に電子が閉じ込められなくなったためと考えられる。したがって、
ｙ≧−１.６４ｘ＋１.６３
で表される組成領域を用いる必要がある。良好な素子特性を確保するためには、
ｙ≧−１.６４ｘ＋１.７
で表される組成領域を用いるのが好ましい。さらに好ましくは、
ｙ≧−１.５４ｘ＋１.７３
で表される組成領域を用いるのが最も望ましい。
【０１１３】
上記組成領域において、Ｇa組成を小さく、Ｐ組成を大きくしていくと、
ｙ＞−０.２７ｘ＋０.８８
で表される組成領域では、効率が低下し、動作電圧が上昇した。これは、井戸層とバリア層のバレンスバンドのエネルギー差ΔＥvが大きくなりすぎたため、注入されたホールが効率よく井戸層に注入されなくなったためと考えられる。したがって、
ｙ≦−０.２７ｘ＋０.８８
で表される領域で使用するのが好ましい。さらに好ましくは、
ｙ≦−０.２８ｘ＋０.８３
で表される組成領域を用いるのが最も望ましい。
【０１１４】
また、ｘ＜０.６５の領域では、閾値電流、効率、雑音、信頼性ともに著しく悪化した。これは、スピノーダル分解により混晶が不安定となり、結晶性が著しく低下したためと考えられる。したがって、ｘ≧０.６５の組成領域を使用する必要がある。好ましくは、ｘ≧０.７の組成領域を用いるのが望ましい。
【０１１５】
Ｇa組成が大きくかつＰ組成が小さい組成領域では、上記組成範囲であれば使用可能であるが、バンドギャップエネルギーＥgが小さくなっていくため、井戸層とのエネルギー差ΔＥgを大きく取れなくなるため、より好ましくはｘ≦０.９５であることが望ましい。
【０１１６】
[発光寿命τと信頼性について]
本発明者の実験によると、バリア層にＡlＧaＡsを用いた場合は、バリア層のＡl組成を大きくするに従い、発光寿命τは小さくなることが分かった。しかしながら、この場合、Ａl組成を大きくするに従い、発光寿命τは小さくなるが、素子特性は低下し、信頼性も悪化してしまい、Ａl組成が０.３を越えると、高出力で半導体レーザ素子を駆動させると充分な信頼性が得られない。
【０１１７】
バリア層にＡlＧaＡsを用いる場合、Ａlは活性な材料で、酸素との結合が非常に強いため、バリア層中に酸素が取り込まれやすくなる。Ａl組成を大きくすると、酸素の取り込みも大きくなる。すなわち、井戸層とバリア層との界面に酸素が取り込まれることになり、井戸層内に閉じ込められたキャリアの非発光再結合の準位となり、発光寿命τは小さくなるが、閾値電流、効率などの素子特性は低下する。また、光密度の高い活性領域を構成するバリア層中の酸素が取り込まれることになり、これがレーザ光の吸収体となり、さらに半導体レーザ素子の特性が低下し、信頼性も悪化したものと考えられる。
【０１１８】
また、バリア層のＡl組成が大きいほど、出射端面でも酸素と結合しやすくなるため、ＣＯＤが起きやすくなる。
【０１１９】
したがって、ＡlＧaＡsをバリア層として用いる場合は、Ａl組成を０.３以下にすることで、素子特性と充分な信頼性を保ったまま、小さい発光寿命τを実現することができる。
【０１２０】
[動作電圧Ｖopについて]
また、本発明者の実験によると、ＡlＧaＡsバリア層のＡl組成を下げたほうが、動作電圧Ｖopが下がることが分かった。
【０１２１】
注入されたキャリアが、井戸層とバリア層のヘテロ界面を障壁と感じ、Ａl組成が小さいほどこのヘテロ界面の障壁が小さくなり、キャリアが井戸層に注入され易くなるため、動作電圧Ｖopが低減したと推測される。したがって、動作電圧Ｖopの観点からは、バリア層のＡl組成はできる限り小さい方が望ましい。
【０１２２】
[雑音について]
また、本発明者の実験によると、バリア層にＡlＧaＡsを用いた場合は、Ａlの組成を大きくすると、雑音が大きくなった。これは、Ａlの組成を大きくすることで、井戸層とバリア層の界面に取り込まれる酸素が増加し、ＬＤ特性が低下し、雑音の原因になったと考えられる。このことから、ＡlＧaＡsバリア層のＡl組成は０.３以下とすることが好ましい。また、ＧaＩnＡsＰバリア層と比べても、ＡlＧaＡsバリア層を用いた場合の方が雑音が小さくなった。一方、Ａl組成を小さくしていくと、Ａl組成０.１までは雑音は小さくなっていくが、０.１より小さくなると、逆に雑音が大きくなった。これは、井戸層とバリア層のバンドギャップエネルギーＥgの差が小さくなり、バンド内で複数の量子準位が近づき、雑音の原因になったと考えられる。
【０１２３】
[ＡlＧaＡsバリア層の組成範囲について]
ＡlＧaＡsバリア層のＡl組成の値は、信頼性、動作電圧Ｖopの観点からはできる限り下げたほうが望ましい。ただし、Ａl組成が０.１より小さくなると、井戸層とバリア層とのΔＥgが小さくなり、閾値電流Ｉthが上昇し、効率が低下し、雑音が増大してしまうため、Ａl組成は０.１以上である必要がある。
【０１２４】
一方、ＡlＧaＡsバリア層のＡl組成を大きくしていくと、発光寿命τを小さくできると共に、特性温度Ｔoを大きくでき、温度による波長変動が小さいという効果がある。また、雑音は、Ａl組成が０.１以上かつ０.３以下で低くなり、それよりも高くても、低くても雑音は大きくなる。
【０１２５】
以上のことから、ＬＤ特性、信頼性、動作電圧、波長変動、発光寿命τ、雑音、特性温度Ｔoを総合的に考えると、ＡlＧaＡsバリア層のＡl組成は、０.１以上かつ０.３以下が好ましい。
【０１２６】
[ガイド層の効果について]
バリア層のバンドギャップエネルギーＥgは小さいほうが、動作電圧Ｖopが低下し望ましいが、井戸層に対するΔＥg,ΔＥcが小さくなって、キャリアの井戸層からの漏れが増大する。したがって、量子井戸層の両側のバリア層を厚くしてガイド層を兼ねさせると、キャリアの閉じ込めが小さくなり、特性温度Ｔoが低下する。そこで、量子井戸層の両側のバリア層は各５ｎｍ〜３０ｎｍ程度に薄くしておき、光の閉じ込めを調整するガイド層はバリア層とは別に設けることにより、閾値電流Ｉth,効率などのＬＤ特性、低い動作電圧Ｖopと高い特性温度Ｔoを両立させることができる。
【０１２７】
ガイド層として、ＡlＧaＡsとＧaＩnＰを比較した。ＧaＩnＰを用いると、効率が低下して素子抵抗が増大し、同じ光出力を出すのに大きな電流および電圧を必要とし、消費電力が増大するという問題や、素子の温度が上昇し、信頼性が低下するという問題点が見つかった。一方、ＡlＧaＡsをガイド層として用いると、効率が向上し、動作電圧Ｖopも低下し、高出力化が可能となった。ＧaＩnＰを用いると効率が低下し、動作電圧Ｖopが増大した原因は、活性層とのバレンスバンドの不連続が大きくなり、ホールに対して大きな障壁となってしまい、ホールが井戸層に注入されにくくなったためと考えられる。
【０１２８】
ＡlＧaＡsガイド層により、特性温度Ｔoが向上し、高温で安定動作するようになる。これは、ＧaＩnＰと比べ、ＡlＧaＡsをガイド層とすることにより、活性層とのコンダクションバンドの差が大きくなり、井戸層からバリア層に溢れたキャリアが、ガイド層に漏れることなく量子井戸内に留まるためと考えられる。
【０１２９】
また、ＡlＧaＡsガイド層のＡl組成が０.３以上で特に特性温度Ｔoの向上に効果がある。
【０１３０】
次に、この発明の空間光伝送用半導体レーザ装置および空間光伝送システムを図示の実施の形態により詳細に説明する。
【０１３１】
〔第１実施形態〕
図１は、この発明の第１実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置の半導体レーザ素子の断面図を示している。この第１実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子のバリア層にＧaＩnＡsＰ層を用いた例である。ここで、「ｎ−」と「ｐ−」は、それぞれｎ型,ｐ型にドーピングされていることを示し、「ｕｎ−」はドーピングされていないことを示す。
【０１３２】
図１において、１０１はｎ−ＧaＡs基板、１０２はｎ−Ａl０.５Ｇa０.５Ａsクラッド層(１.８μｍ)、１０３はｎ−Ａl０.４Ｇa０.６Ａsガイド層(０.１μｍ)、１０４a,１０４b,１０４cはバリア層、１０５a,１０５bは井戸層、１０６はｐ−Ａl０.４Ｇa０.６Ａsガイド層(０.１μｍ)、１０７はｐ−Ａl０.５Ｇa０.５Ａs第１クラッド層(０.１５μｍ)、１０８はｐ−ＧaＡsエッチングストップ層(４ｎｍ)、１０９はｐ−Ａl０.５Ｇa０.５Ａs第２クラッド層(１.２８μｍ)、１１０はｎ−Ａl０.７Ｇa０.３Ａsブロック層(０.６μｍ)、１１１はｎ−ＧaＡsブロック層(０.３μｍ)、１１２はｐ−ＧaＡsキャップ層(約４μｍ)、１１３a,１１３bは電極である。ｕｎ−Ｉn０.２Ｇa０.８Ａs０.５Ｐ０.５バリア層１０４a,１０４b,１０４cと、ｕｎ−Ｉn０.０６Ｇa０.９４Ａs井戸層１０５a,１０５bで活性層を構成している。上記井戸層１０５a,１０５bは厚さ５ｎｍのＤＱＷ(Double Quantum Well)構造であり、バリア層１０４a, １０４cの厚さはそれぞれ２０ｎｍ、バリア層１０４bの厚さは５ｎｍである。
【０１３３】
次に、図２Ａ〜図２Ｆを用いて上記半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
【０１３４】
まず、図２Ａに示すように、ｎ−ＧaＡs基板１０１上に、ｎ−Ａl０.５Ｇa０.５Ａsクラッド層１０２(１.８μｍ)、ｎ−Ａl０.４Ｇa０.６Ａsガイド層１０３(０.１μｍ)とｕｎ−Ｉn０.２Ｇa０.８Ａs０.５Ｐ０.５バリア層１０４a,１０４b,１０４c(１０４a, １０４cは２０ｎｍ、１０４bは５ｎｍ)、ｕｎ−Ｉn０.０６５Ｇa０.９３５Ａs井戸層１０５ａ,１０５ｂ(各５ｎｍ)からなるＤＱＷ活性層、ｐ−Ａl０.４Ｇa０.６Ａsガイド層１０６(０.１μｍ)、ｐ−Ａl０.５Ｇa０.５Ａs第１クラッド層１０７(０.１５μｍ)、ｐ−ＧaＡsエッチングストップ層１０８(４ｎｍ)、ｐ−Ａl０.５Ｇa０.５Ａs第２クラッド層１０９(１.２８μｍ)、ｐ−ＧaＡsキャップ層１１２a(０.７５μｍ)を順次ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長)法により第１の結晶成長で形成する。
【０１３５】
その上に、６μｍ幅のレジストマスク(図示せず)を通常のフォトリソグラフィー技術により形成し、図２Ｂに示すように、マスクが形成された領域以外のｐ−ＧaＡsキャップ層１１２aおよびｐ−Ａl０.５Ｇa０.５Ａs第２クラッド層１０９をエッチング除去し、ストライプ状のリッジを形成する。このとき、ｐ−Ａl０.５Ｇa０.５Ａs第２クラッド層１０９とｐ−ＧaＡsエッチングストップ層１０８とで選択性の高いエッチャントを用いて、ｐ−ＧaＡsエッチングストップ層１０８でエッチングが停止するようにし、リッジ幅を制御している。この第１実施形態では、リッジの底部の幅が２.７μｍになるように調整している。
【０１３６】
次に、図２Ｃに示すように、リッジ上のレジストを除去した後、ｎ−Ａl０.７Ｇa０.３Ａsブロック層１１０(０.６μｍ)、ｎ−ＧaＡsブロック層１１１(０.３μｍ)、ｐ−ＧaＡsキャップ層１１２b(１.０５μｍ)を順次ＭＯＣＶＤ法により第２の結晶成長で形成する。このとき、リッジの両側およびリッジの上部に成長が進み、リッジ上部では山形の突起状に成長膜が形成される。
【０１３７】
その上にレジストを全面塗布し、全面露光し、現像時間を調整することにより、上記リッジ上部の山形の突起部が現れるまでレジストを除去する。リッジ上のレジストは除去され、リッジ外のレジストは残った状態になっている。この状態でエッチングすることにより、図２Ｄに示すように、リッジ上に形成された第２の成長層および第１の成長層であるｐ−ＧaＡsキャップ層１１２aの一部(０.０５μｍ程度)を除去する。
【０１３８】
そして、図２Ｅに示すように、レジストを除去し、ｐ−ＧaＡsキャップ層１１２c(４μｍ)をＭＯＣＶＤにより形成する。このとき、最上層０.３μｍのみ電極とのコンタクトが取りやすいように１×１０２０ｃｍ−３の密度で不純物をドーピングした。
【０１３９】
その後、図２Ｆに示すように、ウェハを１００μｍの厚さに研磨し、ｐ側にＡuＺn／Ａu電極１１３a、ｎ側にＡuＧe／Ｎi／Ａu電極１１３bを蒸着により形成する。
【０１４０】
上記電極１１３a,１１３bを形成した後、共振器となるストライプと垂直な方向に５００μｍの長さでへき開し、その両端面に反射率がそれぞれ５％と９０％となるようにＳi膜およびＡl２Ｏ３膜を蒸着により形成する。
【０１４１】
最後に、それぞれのストライプを分割し、ステムにマウントし、半導体レーザ素子を完成させる。
【０１４２】
このようにして作製した半導体レーザ素子にデューティー５０％のパルス電流を印加したところ、発振波長８６９ｎｍ(２５℃)で発振した。発振閾値電流は１９ｍＡ、効率１Ｗ／Ａであった。また、印加するパルス電流を増加していったところ、出力３００ｍＷまではＣＯＤ(Catastrophic Optical Damage：反射鏡面劣化)を起こさず発振した。特性温度Ｔo＝１３０Ｋ、発光寿命τ＝８.０ｎｓｅｃ、相対雑音強度ＲＩＮ＝−１２０ｄＢ／Ｈzとなり、特性温度が高く、発光寿命τが小さく、かつ、雑音の小さい良好な特性が得られた。
【０１４３】
また、この半導体レーザ素子の発振波長は、−２５℃で８５６ｎｍ、８５℃で８８５ｎｍであった。
【０１４４】
上記半導体レーザ素子を空間光伝送用光源に使用することにより、ＬＥＤを使用した場合と比べて、高出力で低消費電力の光源を提供することが可能となり、高速変調が可能な信頼性の高い空間光伝送用半導体レーザ装置を提供することができる。
【０１４５】
図３は、この半導体レーザ素子を、散乱剤を混入した樹脂で２ｍｍφにモールドし、アイセーフ化を実現した空間光伝送用半導体レーザ装置の一例としてのレーザモジュールを示している。
【０１４６】
図３において、１２０は上記半導体レーザ素子であり、１２２はＳiフォトダイオード、１２３はモールド樹脂部の一例としてのエポキシ系モールド樹脂、１２３a,１２３bはモールド樹脂で形成されたレンズ、１２４はシリコン系プリコート樹脂、１２５はＳiＯ２拡散剤、１２６は回路基板、１２７はレーザ駆動回路および受信信号増幅用プリアンプを構成するＩＣ(集積回路)である。また、モールド樹脂のＬＤ出射部のレンズ１２３aに、ＳiＯ２樹脂からなる拡散剤１２５を混入することにより、アイセーフ化されている。シリコン系プリコート樹脂１２４は、硬化時の状態がゼリー状であり、半導体レーザ素子１２０のチップを応力歪から保護する役割を有しており、半導体レーザ素子１２０の信頼性を確保している。
【０１４７】
上記回路基板１２６には、側面が４５°の角度で傾斜した凹部１２６aが設けられており、この凹部１２６aの底に半導体レーザ素子１２０がマウントされている。半導体レーザ素子１２０から放射した光は凹部２６a側面で反射し、レンズ１２３aで整形されてモジュールから放射される。このレーザモジュールに入る信号光は、レンズ１２３bで集光された後、Ｓiフォトダイオード１２２で受光される。
【０１４８】
次に、上記レーザモジュールの製造方法を説明する。まず、回路基板１２６に半導体レーザ素子１２０と、Ｓiフォトダイオード１２２と、ＩＣ１２７を実装して、ワイヤボンディングを行う。半導体レーザ素子１２０は回路基板１２６に設けられた凹部１２６aにマウントし、この凹部１２６aにシリコン系プリコート樹脂１２４を適量滴下し、半導体レーザ素子１２０全体が覆われるようにコーティングする。そして、プリコート樹脂１２４がゼリー状に硬化した後、金型を用いて、レンズ１２３a,１２３bの形状が転写されるようにモールド樹脂１２３を流し込んで硬化させ、モールド樹脂１２３と一体化された回路基板１２６を取り出し、レーザモジュールを完成させる。
【０１４９】
このようにして作製したレーザモジュールにデューティー５０％のパルス電流を印加したところ、発振波長８８４ｎｍ(２５℃)で発振した。また、発振波長は、−２５℃で８７１ｎｍ、８５℃で９００ｎｍであった。
【０１５０】
なお、上記回路基板１２６の凹部１２６a側面の角度やモールド樹脂の材料、プリコート樹脂の材料、拡散剤の材料などは、これに限定するものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な変更を加え得ることは勿論のことである。
【０１５１】
この第１実施形態では、使用環境温度範囲−２５℃〜＋８５℃内で発振波長を８５０ｎｍ以上かつ９００ｎｍ以下とすることができ、眼に対する安全性が向上すると同時に、安価なＳiフォトダイオードを用いることが可能となり、モジュールのコストを下げることができる。また、使用するモジュールにより、モールドした状態で発振波長を８５０ｎｍ以上かつ９００ｎｍ以下とすることで、この空間光伝送用半導体レーザ装置の性能を最大限に生かすことが可能となる。
【０１５２】
本発明者が実験により調べた半導体レーザ素子の発振波長の温度依存性は、図１０に示す発振波長の温度依存性をグラフから明らかなように、１℃上昇すると約０.２４ｎｍ〜０.２９ｎｍ波長が長くなり、８５℃における波長と−２５℃における波長との差は約３０ｎｍとなる。
【０１５３】
したがって、モールド前の半導体レーザ素子が、チップ状態で室温(２５℃)における発振波長を約８８５ｎｍ以下とすることにより、モールド実装時、８５℃で９００ｎｍ以下にすることができる。
【０１５４】
さらに、アイセーフのため、拡散剤を混入した樹脂で半導体レーザ素子をモールドして空間光伝送用のレーザモジュールとして使用すると、例えばこの第１実施形態のレーザモジュールでは、モールドの有無によって１５ｎｍ波長が変動する。また、さまざまなモールドサイズやモールド材料、モールド形状、モールド方法で実験したところ、半導体レーザ素子の駆動時の波長が５ｎｍ〜１５ｎｍ長くなる。このように、アイセーフレーザモジュールでは、使用形態により波長が大きく変動する。
【０１５５】
使用環境温度範囲を−２５℃〜＋８５℃と想定すると、半導体レーザ素子自体の温度変化による波長の変動が約３０ｎｍあり、モールドすることによりさらに５ｎｍ〜１５ｎｍ波長が長くなることから、アイセーフモールド半導体レーザ装置では、温度による波長変動３０ｎｍとモールドによる波長の変動１０ｎｍとの合計４０ｎｍ波長が変動する。すなわち、最適な波長範囲が８５０ｎｍ〜９００ｎｍであるのに対して、１０ｎｍしか波長変動に対するマージンが無いことになる。モールドをしない状態で発振波長が８５０ｎｍ〜９００ｎｍになるように活性層構造を決めると、モールドした場合に、最適な波長範囲から外れる可能性が生じる。
【０１５６】
したがって、モールド後に８５℃で９００ｎｍ以下とし、−２５℃で８５０ｎｍ以上とすることが最も好ましい。
【０１５７】
すなわち、１℃当り０.２４ｎｍ〜０.２９ｎｍ波長が変動することを考えると、半導体レーザ素子の発振波長はモールド前の半導体レーザ素子のチップ状態で室温(２５℃)では８５７ｎｍ〜８７１ｎｍとすることが、空間光伝送用のアイセーフ半導体レーザ装置として、ＩｒＤＡ規格を満たしつつ、性能を最も発揮できるようになる。
【０１５８】
このように、半導体レーザ素子がチップ状態において、２５℃での発振波長が８５７ｎｍ以上かつ８７１ｎｍ以下とすることにより、使用環境温度範囲内で８５０ｎｍ以上かつ９００ｎｍ以下で発振するアイセーフ半導体レーザ装置を実現することが可能となる。
【０１５９】
上述のように、空間光伝送用半導体レーザ装置では、井戸層のＧa組成が小さく、かつ、井戸幅が薄いほど、温度に対する発振波長の変動を小さくできる。
【０１６０】
また、バリア層としてＧaＩnＡsＰバリアを用いた場合、バリア層のＧa組成が小さいほど波長変動は小さくできる。
【０１６１】
また、アイセーフ化を実現する別の手段として、拡散板を使用することが考えられるが、拡散板を用いた場合、モジュールのサイズが大きくなって、携帯端末用に用いるには好ましくない。これに対して、この第１実施形態に示すように、モールド型のレーザモジュールとすることにより、小型化が可能となり、携帯端末用など、小型の機器にも搭載できるようになる。
【０１６２】
また、散乱剤を混入した樹脂でモールドする場合、モジュールのサイズにより放熱の度合いが変わり、波長変動分も異なる。つまり、携帯端末用に小型のモジュールが好ましいが、サイズが小さいと放熱が悪く波長の変動が大きくなる。一方、ホームサーバー用など、大型モジュールが使用可能であれば、モジュールのサイズを大きくすることにより、放熱が良くなり、波長変動も小さくなる。この場合、より高出力化、高速化が可能となる。
【０１６３】
このように、使用するモジュールにより、モールドした状態で発振波長を８５０ｎｍ以上かつ９００ｎｍ以下とすることにより、この空間光伝送用半導体レーザ装置の性能を最大限に生かすことが可能となる。
【０１６４】
また、ＩnＧaＡsを井戸層とした量子井戸構造とすることにより、高出力、低消費電力、高信頼性で、高速変調可能な半導体レーザ素子を提供することができる。
【０１６５】
さらに詳しくは、上記井戸幅、井戸層の組成、井戸数を変えた実験結果より、次のことが分かった。
【０１６６】
井戸層を８ｎｍ以下とすることにより、量子効果により少ないキャリアで効率よく光に変換されるようになり、閾値電流が下がることにより、効率が上がり、高出力化が可能となる。
【０１６７】
また、井戸層のＩnの組成を増やしていくと、歪量が増加し、キャリアの有効質量が低下し、閾値電流が低下し効率が向上し、より高出力を出すことが可能となる。
【０１６８】
このように、閾値電流が下がり、効率が上がり、信頼性が確保されることにより高出力化が可能となり、高速変調が可能となる。井戸幅を厚くし、井戸数を増やすと、特性温度Ｔoは大きくなり、温度に対して特性が安定する。
【０１６９】
また、井戸層にＩnを入れることにより、信頼性が向上した。これは、Ｉnを入れることにより、井戸層中の転位の伝播(結晶欠陥の増殖)が抑えられたためと考えられる。
【０１７０】
また、井戸幅を厚くしたり、井戸数を増やしたりすると、さらに信頼性が向上した。これは、井戸層の体積が増えることにより、単位体積当りの光強度(光密度)が小さくなるため、井戸層内や出射端面において、同じ密度で吸収体が存在していたとしてもその吸収体が感じる光の強度は小さくなり、吸収量が減少するため、その結果信頼性が向上したと考えられる。
【０１７１】
次に、本発明者が行った発光寿命τの活性層の厚さに対する依存性について実験により、活性層の厚さに依存していることが分かり、活性層の厚さを薄くするほど発光寿命τは小さくできる。すなわち、バルクの活性層よりも量子井戸活性層の方が、高速変調が可能となり、井戸幅が薄いほど空間光伝送用半導体レーザ装置としては適している。また、活性層を量子井戸構造とすることにより、バルク活性層と比べて、量子効果によりキャリアから光の変換効率が向上し、低閾値、高効率で高出力まで高い信頼性の素子特性が得られ、同時に発光寿命τを小さくすることも可能となる。望ましくは、井戸幅を８ｎｍ以下にすると特に効果が大きい。また、井戸数は少ないほど発光寿命τは小さくなり、井戸数４以下で特に効果が大きい。
【０１７２】
信頼性を保ったまま発光寿命τを小さくできたのは、非発光再結合や光の吸収は少ないまま、少ないキャリアの注入量で効率よく発光再結合が行われたためと考えられる。
【０１７３】
さらに、上記発光寿命τの活性層の厚さに対する依存性についての実験より、井戸幅が４ｎｍ以下および８ｎｍ以上では雑音が大きくなり、通信用光源としては適さなくなる。これは、４ｎｍ以下では、井戸層とバリア層との界面の急峻性の良し悪しが大きく影響され、雑音が大きくなったものと考えられる。また、８ｎｍ以上では、バンド内で複数の量子準位が近づき、雑音の原因になったと考えられる。
【０１７４】
したがって、上記井戸幅４ｎｍ以上かつ８ｎｍ以下とすることによって、半導体レーザ素子の雑音を高速空間光伝送に用いるのに充分小さく抑えることができる。
【０１７５】
また、井戸層のＩn組成を大きくすると雑音が低下する。これは、Ｉnを入れることにより、井戸層のバレンスバンドでヘビーホールバンドとライトホールバンドが分離し、お互いのバンド同士の干渉が減少するためと考えられる。
【０１７６】
井戸幅を薄くしていくと、閾値電流が低下し、効率が上昇し、高出力化が可能となる。また、発光寿命τを小さくでき、高速変調が可能となり、特に８ｎｍ以下でその効果が顕著に表れる。より好ましくは、６ｎｍ以下とするとその効果は大きい。
【０１７７】
一方、井戸幅を厚くしていくと、特性温度Ｔoを大きくでき、また、信頼性も向上する。
【０１７８】
雑音は、４ｎｍ〜８ｎｍで低くなり、それよりも薄くしても、厚くしても大きくなる。より好ましくは４ｎｍ以上かつ６ｎｍ以下とすることで、雑音は低下する。
【０１７９】
また、Ｉn組成を大きくすると、閾値電流が低下し、効率が向上し高出力化が可能となり、また、雑音も低下し、信頼性も向上し、Ｉnの組成０.０４以上(Ｇaの組成０.９６以下)で特にこれらの効果が顕著である。
【０１８０】
しかし、Ｉnを増やしていくとバンドギャップエネルギーＥgが小さくなり、波長が長くなってしまい、波長を短くするには井戸幅を薄くしなくてはいけなくなり、４ｎｍより薄くなると、逆に特性が悪くなる。４ｎｍ以上の井戸幅で所望の波長を得るにはＧa組成は０.８５以上が必要となる。また、Ｇa組成を０.９よりも小さくすると動作電圧が上がる。井戸層のＧa組成０.８５以上、より好ましくは０.９以上であることが望まれる。
【０１８１】
井戸幅と井戸層の組成の組み合わせを考えると、井戸幅ｄは４≦ｄ≦８ｎｍ、井戸層のＧa組成ｘは０.８５≦ｘ＜１、より好ましくは、井戸幅ｄは４≦ｄ≦６ｎｍ、井戸層のＧa組成ｘは０.９≦ｘ≦０.９６とすることで、ＬＤ特性、波長、発光寿命τ、雑音、特性温度Ｔo、信頼性の全てを満足すると共に、高出力で高速変調可能な空間光伝送用半導体レーザを提供することができる。
【０１８２】
井戸数は、増やすと、特性温度Ｔoはよくなる。また、信頼性も向上する。しかし、雑音が大きくなり、発光寿命τも大きくなってしまう。これに、閾値電流と効率も考慮すると、井戸数１〜４が最も適切である。
【０１８３】
量子井戸活性層のＧaｘＩn１−ｘＡs１−ｙＰｙバリア層のＧa組成ｘ、Ｐ組成ｙを変えて特性の比較を行った実験結果から明らかになったように、バリア層をＧaＩnＡsＰとすることにより、ＡlＧaＡsバリア層を用いた場合よりも高い信頼性が確保できる。これは、活性層となる量子井戸構造中に活性なＡlを含まないため、活性層中および端面で、非発光再結合中心や吸収体となる酸素が減少し、その結果信頼性が向上したと考えられる。なお、ＡlＧaＡsバリア層においてもＡl組成０.３以下であれば充分な信頼性が確保できる。
【０１８４】
より小型、或いは高出力を必要とするようなアプリケーションでは、信頼性の高いＧaＩnＡsＰバリア層を用いることが好ましい。
【０１８５】
また、ＧaＩnＡsＰバリアを用いた場合、バリア層のＧa組成が小さいほど温度に対する波長変動は小さい。
【０１８６】
ＧaＩnＡsＰバリアのＧa組成ｘを大きく、Ｐ組成ｙを大きくすることにより、バンドギャップエネルギーＥgが大きくなり、特性温度Ｔoを大きくすることができる。しかしながら、
ｙ＞−２.１７ｘ＋２.５
で表される領域では、素子特性、信頼性が著しく低下する。したがって、
ｙ≦−２.１７ｘ＋２.５
で表される領域で組成を設定する必要がある。良好な素子特性と信頼性を確保するためには、
ｙ≦−２.０５ｘ＋２.３４
で表される組成領域であることが望ましい。より好ましくは、
ｙ≦−２.１ｘ＋２.２９
であることがより望ましい。
【０１８７】
Ｇa組成およびＰ組成を小さくしていくと、ＧaＩnＡsＰバリア層のバンドギャップエネルギーＥgは小さくなり、井戸層とのバンドギャップエネルギーＥgの差が取れなくなる。また、
ｙ＜−１.６４ｘ＋１.６３
で表される組成領域では、半導体レーザ素子の特性が著しく低下する。したがって、
ｙ≧−１.６４ｘ＋１.６３
で表される組成領域を用いる必要がある。良好な素子特性を確保するためには、
ｙ≧−１.６４ｘ＋１.７で表される組成領域を用いるのが好ましい。さらに好ましくは、
ｙ≧−１.５４ｘ＋１.７３
で表される組成領域を用いるのが最も望ましい。
【０１８８】
上記組成領域において、Ｇa組成ｘを小さく、Ｐ組成ｙを大きくしていくと、
ｙ＞−０.２７ｘ＋０.８８
で表される組成領域では、効率が低下し、素子抵抗が上昇する。したがって、
ｙ≦−０.２７ｘ＋０.８８
で表される領域で使用するのが好ましい。さらに好ましくは、
ｙ≦−０.２８ｘ＋０.８３
で表される組成領域を用いるのが最も望ましい。
【０１８９】
また、Ｇa組成ｘが０.６５未満の領域では、素子特性、信頼性が著しく低下する。したがって、ｘ≧０.６５の組成領域を使用する必要がある。好ましくは、ｘ≧０.７の組成領域を用いるのが望ましい。
【０１９０】
量子井戸活性層を挟むｎ−Ａl０.４Ｇa０.６Ａsガイド層１０３およびｐ−Ａl０.４Ｇa０.６Ａsガイド層１０６の組成を変えた半導体レーザ素子の比較実験、および、ＧaＩnＰをガイド層とした半導体レーザ素子の比較実験から次のことが明らかになった。すなわち、ガイド層にＧaＩnＰ層を用いると、効率が低下し、抵抗も大きくなり、同じ光出力を出すのに大きな電流および電圧を必要とし、消費電力が増大し、また、素子の温度が上昇し、信頼性が低下する。一方、ＡlＧaＡsをガイド層として用いると、効率が高くなり、素子抵抗が下がり、高出力化が可能となり、低消費電力化が可能となる。
【０１９１】
また、ＡlＧaＡsガイド層とすることにより、特性温度Ｔoが向上し、高温で安定動作する。
【０１９２】
また、このＡlＧaＡsガイド層は、Ａl組成０.３以上で特に効果がある。Ａl組成を大きくすると、酸素が結合しやすくなるが、ガイド層においては、活性層と比べると光の分布が小さくなっているため、その影響は小さい。
【０１９３】
〔第２実施形態〕
図４はこの発明の第２実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置の一例としてのレーザモジュールの斜視図を示している。このレーザモジュールの半導体レーザ素子は、図２Ａ〜図２Ｆに示した第１実施形態の半導体レーザ素子と同様の作製方法で作製した半導体レーザ素子を用い、第１実施形態の半導体レーザ素子とは、量子井戸活性層のバリア層をＡlＧaＡs層とした点が異なる。
【０１９４】
この第２実施形態のレーザモジュールの半導体レーザ素子は、ｕｎ−Ａl０.１５Ｇa０.８５Ａsバリア層１０４a,１０４b,１０４cと、ｕｎ−Ｉn０.０７２Ｇa０.９２８Ａs井戸層１０５a,１０５bで活性層を構成している。上記井戸層１０５a,１０５bは厚さが４.６ｎｍのＤＱＷ構造をしており、バリア層１０４a,１０４cの厚さはそれぞれ２１.５ｎｍであり、バリア層１０４bの厚さは７.９ｎｍである。
【０１９５】
このようにして作製した半導体レーザ素子に、デューティー５０％のパルス電流を印加したところ、発振波長８６８ｎｍ(２５℃)で発振した。また、この半導体レーザ素子の−２５℃における発振波長は８５５ｎｍ、８５℃における発振波長は８８５ｎｍであった。
【０１９６】
この半導体レーザ素子において、発振閾値電流は２０ｍＡ、効率１.１Ｗ／Ａであった。また、電流を増加していったところ、出力２８０ｍＷまではＣＯＤを起こさず発振した。特性温度Ｔo＝１８０Ｋ、発光寿命τ＝３.５ｎｓｅｃ、相対雑音強度ＲＩＮ＝−１３５ｄＢ／Ｈzと、特性温度Ｔoが高く、発光寿命τが小さく、雑音が小さい良好な特性が得られた。
【０１９７】
図４に示すように、上記半導体レーザ素子を、散乱剤を混入した樹脂で７.５ｍｍφにモールドし、アイセーフレーザモジュールを作製する。図４において、２２０が上記半導体レーザ素子であり、２２１はヒートシンク、２２２はＳiフォトダイオード、２２３は拡散剤を混入したモールド樹脂(レンズの機能を兼ねる)、２２４はプリコート樹脂、２２５は拡散剤である。上記モールド樹脂２２３とプリコート樹脂２２４でモールド樹脂部を構成している。
【０１９８】
この半導体レーザ素子２２０は、前述のとおり、へき開した両端面に反射率がそれぞれ５％と９０％の反射膜をコーティングしているが、５％の反射膜を形成した端面を図中で上向きに、９０％の反射膜を形成した端面を図中の下向きになるように、ヒートシンク２２１にマウントしている。この半導体レーザ素子２２０の光は、反射率５％の反射膜側から放射され、モールド樹脂２２３のレンズ機能により整形されてモジュールから放射される。また、この第２実施形態のレーザモジュールには、Ｓiフォトダイオード２２２が設置されており、モジュールに入る信号光は、モールド樹脂２２３のレンズ機能により集光され、Ｓiフォトダイオード２２２で受光される。また、モールド樹脂２２３には拡散剤２２５が混入されており、アイセーフ化されている。
【０１９９】
プリコート樹脂２２４は、硬化時にゼリー状となるシリコン系樹脂を用いており、半導体レーザ素子２２０のチップを応力歪から保護する効果があり、半導体レーザ素子の信頼性を確保している。
【０２００】
次に、この第２実施形態のレーザモジュールの製造方法を説明する。まず、ステムに半導体レーザ素子２２０、Ｓiフォトダイオード２２２を実装して、ワイヤボンディングを行う。半導体レーザ素子２２０をヒートシンク２２１にマウントしている。そして、半導体レーザ素子２２０全体が覆われるようにシリコン系プリコート樹脂２２４を適量滴下してコーティングする。プリコート樹脂２２４がゼリー状に硬化した後、金型を用いて、レンズ形状が転写されるようにモールド樹脂２２３を流し込んで硬化させ、モールド樹脂２２３と一体化されたステムを取り出し、レーザモジュールを完成させる。
【０２０１】
このアイセーフレーザモジュールにデューティー５０％のパルス電流を印加したところ、発振波長８７２ｎｍ(２５℃)で発振した。また、−２５℃で８５９ｎｍ、８５℃で８８９ｎｍであった。
【０２０２】
この第２実施形態では、モールド樹脂２０３の径が第１実施形態に比べて大きく、モールドの有無の温度による波長変動が６ｎｍとなった。モールド前の半導体レーザ素子のチップ状態では２５℃で８６８ｎｍと、第１実施形態と同程度であるが、モールド後においても−２５℃〜８５℃の範囲で、発振波長を８５０ｎｍ以上かつ９００ｎｍ以下とすることができる。なお、モールドによる温度上昇は、バリア層にＧaＩnＡsＰを用いても、ＡlＧaＡsを用いても変わりない。
【０２０３】
また、井戸層の組成、井戸幅、井戸数については、第１実施形態で説明したＧaＩnＡsＰバリアと同様の効果が得られる。
【０２０４】
バリア層の組成を変えた実験結果より、バリア層にＡlＧaＡsを用いた場合は、バリア層のＡl組成を大きくするに従い、さらに発光寿命τは小さくなる。しかしながら、この場合、Ａl組成を大きくするに従い、発光寿命τは小さくなるが、信頼性も悪化してしまい、Ａl組成が０.３を越えると高出力で半導体レーザ素子を駆動すると充分な信頼性が得られなくなる。Ａlは活性な材料で、酸素との結合が非常に強く、Ａl組成を大きくすると、酸素の取り込みも大きくなってしまう。バリア層にＡlＧaＡsを用いた場合、バリア層に酸素が取り込まれ、すなわち、井戸層とバリア層の界面に酸素が取り込まれることになり、井戸層内に閉じ込められたキャリアの非発光再結合の準位となり、発光寿命τが小さくなる。また、光密度の高い活性領域を構成するバリア層中の酸素が取り込まれることになり、これがレーザ光の吸収体となり、半導体レーザ素子の特性および信頼性が悪化したものと考えられる。
【０２０５】
また、バリア層のＡl組成が大きいほど端面で酸素が結合しやすくなるため、ＣＯＤが生じやすくなる。
【０２０６】
さらに、ＡlＧaＡsをバリア層として用いる場合は、Ａl組成を０.３以下とすることにより、高出力で半導体レーザ素子を駆動させるのに充分な信頼性を保ったまま、発光寿命τを小さくすることが可能となる。
【０２０７】
また、上記バリア層の組成を変えた実験結果より、ＡlＧaＡsバリア層のＡl組成を下げたほうが、動作電圧Ｖopが下がる。
【０２０８】
注入されたキャリアが、井戸層とバリア層のヘテロ界面を障壁と感じ、Ａl組成が小さいほどこのヘテロ界面の障壁が小さくなり、キャリアが井戸層に注入され易くなるため、動作電圧Ｖopが低減したと推測される。したがって、動作電圧Ｖopの観点からは、バリア層のＡl組成はできる限り小さい方が望ましい。
【０２０９】
しかしながら、バリア層のＡl組成を０.１より小さくすると、井戸層とのΔＥgが小さくなり、閾値電流、効率、特性温度Ｔoなどの特性が悪化するため、Ａl組成は０.１以上必要である。
【０２１０】
また、上記バリア層の組成を変えた実験結果より、特性温度Ｔoは、ＡlＧaＡsバリアを用いると、ＧaＩnＡsＰバリアを用いるよりも向上する。これは、井戸層とバリア層のコンダクションバンドの差(ΔＥc)がＡlＧaＡsバリアを用いた方が大きくできるためと考えられる。特にＡl組成０.１５以上で効果は大きい。
【０２１１】
また、ＡlＧaＡsバリア層のＡl組成を大きく(Ｇa組成を小さく)していくと、温度による波長変動を小さくできる。
【０２１２】
上記バリア層の組成を変えた実験結果では、バリア層にＡlＧaＡsを用いた場合は、Ａlの組成を大きくすると、雑音が大きくなった。これは、Ａlの組成を大きくすることで、井戸層とバリア層の界面に取り込まれる酸素が増加し、ＬＤ特性が低下し、雑音の原因になったと考えられる。ＡlＧaＡsバリア層のＡl組成は０.３以下とすることが好ましい。また、Ａl組成０.３以下では、ＧaＩnＡsＰバリア層と比べても、雑音が小さくなった。一方、Ａl組成を小さくしていくと、Ａl組成０.１までは雑音は小さくなっていくが、０.１より小さくなると、逆に雑音が大きくなった。これは、井戸層とバリア層のバンドギャップエネルギーＥgの差が小さくなり、バンド内で複数の量子準位が近づき、雑音の原因になったと考えられる。
【０２１３】
したがって、バリア層にＡlＧaＡsを用いた場合は、Ａl組成は０.１以上かつ０.３以下とすることで、雑音を小さく抑えられ、この範囲内でＡl組成を小さくした方が雑音は小さくできる。
【０２１４】
以上より、ＬＤ特性、波長変動、発光寿命τ、雑音、特性温度Ｔo、信頼性をトータルで考えると、ＡlＧaＡsバリア層のＡl組成は、０.１以上かつ０.３以下が望ましい。
【０２１５】
〔第３実施形態〕
図５は、この発明の第３実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置の半導体レーザ素子の断面図を示している。
【０２１６】
図５において、３０１はｎ−ＧaＡs基板、３０２はｎ−Ａl０.５Ｇa０.５Ａsクラッド層、３０３はｎ−Ａl０.４Ｇa０.６Ａsガイド層、３０４ａ,３０４ｂはバリア層、３０５はＤＱＷ構造の井戸層、３０６はｐ−Ａl０.４Ｇa０.６Ａsガイド層、３０７はｐ−Ａl０.５Ｇa０.５Ａs第１クラッド層、３１４はｐ−低ドープＧa０.８４Ｉn０.１６Ａs０.４Ｐ０.６層、３０９はｐ−Ａl０.５Ｇa０.５Ａs第２クラッド層、３１２はｐ−ＧaＡsキャップ層、３１３a,３１３bは電極である。
【０２１７】
次に、図６Ａ〜図６Ｃを用いて上記半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
【０２１８】
ｎ−ＧaＡs基板３０１上に、図６Ａに示すように、ｎ−Ａl０.５Ｇa０.５Ａsクラッド層３０２(１.８μｍ)、ｎ−Ａl０.４Ｇa０.６Ａsガイド層３０３(０.１μｍ)、Ｇa０.７５ｎ０.２５Ａs０.４Ｐ０.６バリア層３０４ａ,３０４ｂ(各２０ｎｍ)とＧa０.９２５Ｉn０.０７５Ａs井戸層３０５(４.６ｎｍ)からなるＳＱＷ活性層、ｐ−Ａl０.４Ｇa０.６Ａsガイド層３０６(０.１μｍ)、ｐ−Ａl０.５Ｇa０.５Ａs第１クラッド層３０７(０.１５μｍ)、ｐ−Ｇa０.８４Ｉn０.１６Ａs０.４Ｐ０.６層３１４(１５ｎｍ)、ｐ−Ａl０.５Ｇa０.５Ａs第２クラッド層３０９(１.２８μｍ)、ｐ−ＧaＡsキャップ層３１２(０.５μｍ)を順次ＭＯＣＶＤ法により結晶成長して形成する。ｐ−ＧaＡsキャップ層３１２は、最上層０.３μｍのみ電極とのコンタクトが取りやすいように１×１０２０ｃｍ−３の不純物密度でドーピングする。なお、量子井戸活性層を構成するバリア層３０４ａ,３０４ｂは、この組成に限るものではなく、第１,第２実施形態で説明した組成範囲のＧaＩnＡsＰ層またはＡlＧaＡs層を用いることができる。
【０２１９】
この上に、６μｍ幅のレジストマスクを通常のフォトリソグラフィー技術により形成し、図６Ｂに示すように、レジストマスクが形成された領域以外のｐ−ＧaＡsキャップ層３１２およびｐ−Ａl０.５Ｇa０.５Ａs第２クラッド層３０９をエッチング除去し、ストライプ状のリッジを形成する。このとき、ｐ−Ａl０.５Ｇa０.５Ａs第２クラッド層３０９とｐ−Ｇa０.８４Ｉn０.１６Ａs０.４Ｐ０.６層３１４とで選択性の高いエッチャントを用いて、ｐ−Ｇa０.８４Ｉn０.１６Ａs０.４Ｐ０.６層３１４でエッチングが停止するようにし、リッジ幅を制御している。この第３実施形態では、リッジの底部の幅が２.７μｍになるように調整している。
【０２２０】
リッジ上のレジストを除去した後、ウェハを１００μｍの厚さに研磨し、図６Ｃに示すように、ｐ側にＴi／Ｐt／Ａu電極３１３a、ｎ側にＡuＧe／Ｎi／Ａu電極３１３bを蒸着により形成する。
【０２２１】
そして、共振器となるストライプと垂直な方向に５００μｍの長さにへき開し、その両端面に、反射率がそれぞれ５％と９０％となるようにＳi膜およびＡl２Ｏ３の膜を蒸着により形成する。
【０２２２】
最後に、それぞれのストライプを分割し、ステムにマウントし、半導体レーザ素子を完成させる。
【０２２３】
この半導体レーザ素子の発振波長は、−２５℃で８５６ｎｍ、２５℃で８６８ｎｍ、８５℃で８８４ｎｍであった。
【０２２４】
さらに、図３に示すレーザモジュールのように、樹脂で２ｍｍφにモールドした場合、発振波長は、−２５℃で８７１ｎｍ、２５℃で８８３℃、８５℃で８９９ｎｍであった。
【０２２５】
この第３実施形態においても、モールド前の半導体レーザ素子のチップ状態において２５℃で８６８ｎｍとすることにより、モールド実装時、使用環境温度範囲内で８５０ｎｍ以上かつ９００ｎｍ以下の発振波長が可能で、高出力、低消費電力で高速変調が可能なレーザモジュールを提供することができる。
【０２２６】
この第３実施形態では、ｐ側電極３１３aとｐ−ＧaＩnＡsＰ層３１４との間のショットキー接合を用いて、リッジ部への電流狭窄を実現している。そのため、第１実施形態と比べて、製造工程が簡略化され、製造コストを大幅に低減することができる。その結果、従来のＬＥＤ並みのコストでありながら、ＬＥＤと比べても、高出力かつ低消費電力で高速変調が可能な空間光伝送用光源を提供することができる。
【０２２７】
〔第４実施形態〕
図７に第４実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置の半導体レーザ素子の断面図を示している。
【０２２８】
図７において、４０１はｎ−ＧaＡs基板、４０２はｎ−Ａl０.５Ｇa０.５Ａsクラッド層、４０３はｎ−Ａl０.４Ｇa０.６Ａsガイド層、４０４a,４０４b,４０４c,４０４dはｕｎ−Ｉn０.１Ｇa０.９Ａs０.６５Ｐ０.３５バリア層、４０５a,４０５b,４０５cはＧa０.９３５Ｉn０.０６５Ａs井戸層、４０６はｐ−Ａl０.４Ｇa０.６Ａsガイド層、４０７はｐ−Ａl０.５Ｇa０.５Ａs第１クラッド層、４０８はｐ−ＧaＡsエッチングストップ層、４１０はｎ−Ａl０.６Ｇa０.４Ａsブロック層、４１１はｎ−ＧaＡsブロック層である。
【０２２９】
次に、図８Ａ〜図８Ｄを用いて上記半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
【０２３０】
ｎ−ＧaＡs基板４０１上に、図８Ａに示すように、ｎ−Ａl０.５Ｇa０.５Ａsクラッド層４０２(１.８μｍ)、ｎ−Ａl０.４Ｇa０.６Ａsガイド層４０３(０.１μｍ)、ｕｎ−Ｉn０.１Ｇa０.９Ａs０.６５Ｐ０.３５バリア層４０４a,４０４b,４０４c,４０４d(４０４a,４０４dは２０ｎｍ、４０４b,４０４cは５ｎｍ)とＧa０.９３５Ｉn０.０６５Ａs井戸層４０５a,４０５b,４０５c(各４.６ｎｍ)からなるＴＱＷ活性層、ｐ−Ａl０.４Ｇa０.６Ａsガイド層４０６(０.１μｍ)、ｐ−Ａl０.５Ｇa０.５Ａs第１クラッド層４０７(０.１５μｍ)、ｐ−ＧaＡsエッチングストップ層４０８(４ｎｍ)、ｎ−Ａl０.６Ｇa０.４Ａsブロック層４１０(０.８μｍ)、ｎ−ＧaＡsブロック層４１１(０.０１μｍ)を順次ＭＯＣＶＤ法により第１の結晶成長で形成する。なお、量子井戸活性層を構成するバリア層４０４a,４０４b,４０４c,４０４dは、この組成に限るものではなく、第１実施形態および第２実施形態で説明した組成範囲のＧaＩnＡsＰ層またはＡlＧaＡs層を用いることができる。
【０２３１】
その上に、５μｍ幅ストライプを残してレジストマスクを通常のフォトリソグラフィー技術により形成し、図８Ｂに示すように、ストライプ部のｎ−Ａl０.６Ｇa０.４Ａsブロック層４１０およびｎ−ＧaＡsブロック層４１１をエッチング除去し、ストライプ状の溝を形成する。このとき、ｎ−Ａl０.６Ｇa０.４Ａsブロック層４１０とｐ−ＧaＡsエッチングストップ層４０８とで選択性の高いエッチャントを用いて、ｐ−ＧaＡsエッチングストップ層４０８でエッチングが停止するようにし、ストライプ溝幅を制御している。この第４実施形態では、溝の底部の幅が３.０μｍになるように調整している。
【０２３２】
ウェハ表面のレジストを除去した後、図８Ｃに示すように、ｐ−Ａl０.５Ｇa０.５Ａs第２クラッド層４０９(１.２８μｍ)、ｐ−ＧaＡsキャップ層４１２(４.７５μｍ)を順次ＭＯＣＶＤ法により第２の結晶成長で形成する。ｐ−ＧaＡsキャップ層４１２は、最上層０.３μｍのみ電極とのコンタクトが取りやすいように１×１０２０ｃｍ−３の不純物密度でドーピングする。
【０２３３】
ウェハを１００μｍの厚さに研磨し、図８Ｄに示すように、ｐ側にＴi／Ｐt／Ａu電極４１３a、ｎ側にＡuＧe／Ｎi／Ａu電極４１３bを蒸着により形成する。
【０２３４】
そして、共振器となるストライプと垂直な方向に５００μｍの長さでへき開し、反射率がそれぞれ５％と９０％となるようにＳi膜およびＡl２Ｏ３膜を蒸着により形成する。
【０２３５】
最後に、それぞれのストライプを分割し、ステムにマウントし、半導体レーザ素子を完成させる。
【０２３６】
上記半導体レーザ素子の発振波長は、−２５℃で８５５ｎｍ、２５℃で８６７ｎｍ、８５℃で８８４ｎｍであった。
【０２３７】
さらに、図３に示すレーザモジュールと同様に、上記半導体レーザ素子を樹脂で２ｍｍφにモールドした場合、発振波長は、−２５℃で８７０ｎｍ、２５℃で８８２℃、８５℃で８９９ｎｍであった。
【０２３８】
この第４実施形態においても、モールド前の半導体レーザ素子のチップ状態において２５℃で８６７ｎｍとすることにより、モールド実装時、使用環境温度範囲内で８５０ｎｍ以上かつ９００ｎｍ以下の発振波長が可能で、高出力、低消費電力で高速変調が可能なレーザモジュールを提供することができる。
【０２３９】
この第４実施形態では、第１実施形態と比べて、製造工程が簡略化され、製造コストを低減することができる。その結果、コストを抑えながらも、ＬＥＤと比べて、高出力でかつ低消費電力で高速変調が可能な空間光伝送用光源を提供することができる。
【０２４０】
なお、この発明の空間光伝送用半導体レーザ装置は、第１〜第４実施形態のレーザモジュールのみに限定されるものではない。また、半導体レーザ素子の光閉じ込め構造やクラッド層、ブロック層などの組成や層厚など、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な変更を加え得ることは勿論のことである。
【０２４１】
〔第５実施形態〕
図９はこの発明の第５実施形態の空間光伝送システムの構成を示す斜視図である。この第５実施形態の空間光伝送システムは、１００Ｍｂｐｓの空間光伝送の例である。第１〜第４実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置を用いることにより、ＬＥＤを使用した場合と比べて、高出力で低消費電力かつ高速での追随性に優れた光源を提供することが可能となり、１００Ｍｂｐｓという高速空間光伝送が実現できる。
【０２４２】
この第５実施形態では、携帯電話などの携帯端末５０８、パーソナルサーバ５０９、テレビ５００、パーソナルコンピュータ５０１、プリンタ５０２が、それぞれワイヤレスで高速データ伝送が行える。この携帯端末５０８には、図３に示した２ｍｍのモールドレーザモジュールを搭載している。パーソナルサーバ５０９、パーソナルコンピュータ５０１、プリンタ５０２、テレビ５００にも、図３または図４に示したレーザモジュールを搭載している。
【０２４３】
携帯端末５０８には、高画素数のデジタルカメラが搭載されており、高画質の画像や動画を撮影できる。これらはデータの容量が大きくなるため、従来のＩｒＤＡで伝送を行うと、十秒〜数十秒以上の時間がかかってしまい、必ずしも使い勝手は良いものではなかった。これに対して、この第５実施形態では、第１〜第４実施形態の半導体レーザ素子を使用することにより、高速でデータ伝送を行うことができるため、瞬時にデータを送ることが可能となり、その利便性が飛躍的に向上した。例えば、高画質画像データをプリンタ５０２に瞬時に伝送し、写真を出力したり、動画データをパーソナルサーバ５０９に瞬時に伝送し、テレビ５００に映したりするなど、その応用範囲は非常に広くなる。
【０２４４】
また、データの数が増えると、携帯端末５０８の容量が一杯になってしまうため、パーソナルサーバ５０９やパーソナルコンピュータ５０１にデータを保管するのに、高い頻度で手軽にデータを伝送できると非常に便利である。この第５実施形態は、高速伝送が可能であるが故に、瞬時にデータを伝送することが可能であるため、この点においても適合した使い勝手の良いシステムである。
【０２４５】
また、パーソナルサーバ５０９内に保管したデータを、一旦携帯端末に移し、外出先で観たり、パーソナルコンピュータ５０１へ送ったりすることも、手軽に行える。
【０２４６】
なお、この発明の空間光伝送システムは、上述の図示の実施形態にのみ限定されるものではない。この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な変更を加え得ることは勿論のことである。
【図面の簡単な説明】
【０２４７】
【図１】図１はこの発明の第１実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置の半導体レーザ素子の断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは上記半導体レーザ素子の製造工程を説明するための模式図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは図２Ａに続く製造工程の模式図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは図２Ｂに続く製造工程の模式図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは図２Ｃに続く製造工程の模式図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは図２Ｄに続く製造工程の模式図である。
【図２Ｆ】図２Ｆは図２Ｅに続く製造工程の模式図である。
【図３】図３は上記空間光伝送用半導体レーザ装置の一例としてのレーザモジュールを示す斜視図である。
【図４】図４はこの発明の第２実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置の一例としてのレーザモジュールの斜視図である。
【図５】図５はこの発明の第３実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置の半導体レーザ素子の断面図である。
【図６Ａ】図６Ａは上記半導体レーザ素子の製造工程を説明するための模式図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは図６Ａに続く製造工程の模式図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは図６Ｂに続く製造工程の模式図である。
【図７】図７はこの発明の第４実施形態の空間光伝送用半導体レーザ装置の半導体レーザ素子の断面図である。
【図８Ａ】図８Ａは上記半導体レーザ素子の製造工程を説明するための模式図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは図８Ａに続く製造工程の模式図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは図８Ｂに続く製造工程の模式図である。
【図８Ｄ】図８Ｄは図８Ｃに続く製造工程の模式図である。
【図９】図９はこの発明の第５実施形態の空間光伝送システムの構成を示す斜視図である。
【図１０】図１０は空間光伝送用半導体レーザ装置の発振波長の温度依存性を示す図である。
【図１１】図１１はＧaＩnＡsＰバリア層の組成を説明するための組成平面を示す図である。
【図１２】図１２はＧaＩnＡsＰバリア層の組成範囲を説明するための組成平面図である。
【図１３】図１３は従来の空間光伝送用ＬＥＤ装置の断面図である。
【符号の説明】
【０２４８】
１０１,３０１,４０１…ｎ−ＧaＡs基板
１０２,３０２,４０２…ｎ−ＡlＧaＡsクラッド層
１０３,３０３,４０３…ｎ−ＡlＧaＡsガイド層
１０４a,１０４b,１０４c,３０４a,３０４b,４０４a,４０４b,４０４c,４０４d…アンドープバリア層
１０５a,１０５b,３０５,４０５a,４０５b,４０５c…アンドープ量子井戸層
１０６,３０６,４０６…ｐ−ＡlＧaＡsガイド層
１０７,３０６,４０７…ｐ−ＡlＧaＡs第１クラッド層
１０８,４０８…ｐ−ＧaＡsエッチングストップ層
１０９,３０９…ｐ−ＡlＧaＡs第２クラッド層
１１０,４１０…ｎ−ＡlＧaＡsブロック層
１１１,４１１…ｎ−ＧaＡsブロック層
１１２,３１２,４１２…ｐ−ＧaＡsキャップ層
１１２a…ｐ−ＧaＡsキャップ層
１１２b…ｐ−ＧaＡsキャップ層
１１２c…ｐ−ＧaＡsキャップ層
１１３a,３１３a,４１３a…ｐ側電極
１１３b,３１３b,４１３b…ｎ側電極
１１４,３１４…ｐ−ＧaＩnＡsＰバリア形成層
１１５…第１のｎ−ＡlＧaＡs層
１１６…ｎ−ＡlＧaＡsクラッド層
１１７…ｐ−ＡlＧaＡs活性層
１１８…ｐ−ＡlＧaＡsクラッド層
１１９…第１のｐ−ＡlＧaＡs層
１２０,２２０…半導体レーザチップ
２２１…ヒートシンク
１２２,２２２…フォトダイオード
１２３,２２３…モールド樹脂
１２３a, １２３b…レンズ
１２４,２２４…プリコート樹脂
１２５,２２５…拡散剤
１２６…回路基板
１２７…ＩＣ
５００…テレビ
５０１…パーソナルコンピュータ
５０２…プリンタ
５０８…携帯端末
５０９…パーソナルサーバ
【図１】
2007066947.tif 000003
【図２Ａ】
2007066947.tif 000004
【図２Ｂ】
2007066947.tif 000005
【図２Ｃ】
2007066947.tif 000006
【図２Ｄ】
2007066947.tif 000007
【図２Ｅ】
2007066947.tif 000008
【図２Ｆ】
2007066947.tif 000009
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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